JP2003063800A - Thee axial force sensor system and power operation device - Google Patents

Thee axial force sensor system and power operation device

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JP2003063800A
JP2003063800A JP2001254939A JP2001254939A JP2003063800A JP 2003063800 A JP2003063800 A JP 2003063800A JP 2001254939 A JP2001254939 A JP 2001254939A JP 2001254939 A JP2001254939 A JP 2001254939A JP 2003063800 A JP2003063800 A JP 2003063800A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To operate a power operation device such as a small crane or a care lifter without having a feeling of physical disorder according to a move of the hand of an operator by detecting the motion direction of the hand of the operator, that is the force lifting, lowering, or laterally moving, by optimizing the interface between a person and a machine. SOLUTION: This three axial force sensor system 10 is constituted so that a cylindrical griping body 2 having an opened part at one end and strain detecting parts forming pairs in the four directions at the other end is installed, a strain gauge 4 is installed in the strain detecting part, the cylindrical griping body 2 is fixed to a shaft body 1 extending in the cylinder direction through the strain detecting part, and a processing device calculating forces in X, Y, and Z directions by strains detected with the strain gauge 4 is installed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、操作者が加えてい
るx,yおよびz方向力を検出することができる3軸力
センサシステムおよび該3軸力センサシステムを応用し
た産業機器,福祉機器,輸送機器或いは開閉装置などの
パワーアシスト装置を備えた動力操作装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a triaxial force sensor system capable of detecting forces in the x, y and z directions applied by an operator, and industrial equipment and welfare equipment to which the triaxial force sensor system is applied. The present invention relates to a power operation device including a power assist device such as transportation equipment or a switchgear.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のクレーン装置や介護用リフター
は、操作スイッチが移動する物体や被介護者から離れて
設置されている。また、on,off用の押しボタンス
イッチより構成されていることから、動作もon,of
fとなり操作者の感覚とかなりのずれが生じる。特に介
護用リフターにおいては、介護者,被介護者が接して操
作することが被介護者に安心感を与えること、動きが滑
らかであることが重要な要素となるが、現状の介護用リ
フターはこれらのことに対応できない。
2. Description of the Related Art Conventional crane devices and care lifters are installed away from an object on which an operation switch moves and a care receiver. Further, since the push-button switch for on and off is configured, the operation is on and off.
The result is f, which is considerably different from the operator's feeling. Especially in the case of a lifter for nursing care, it is important that the caregiver and the cared person touch and operate it to give the caregiver a sense of security and smooth movement. I can't handle these things.

【0003】センサの公知例としては、変位や力を検出
する操作装置や入力装置に関して特願平05−2820
20号,特願平09−362428号,特願平08−0
57458号公報が知られている。
As a publicly known example of the sensor, Japanese Patent Application No. 05-2820 relates to an operating device and an input device for detecting displacement and force.
No. 20, Japanese Patent Application No. 09-362428, Japanese Patent Application No. 08-0
No. 57458 is known.

【0004】また、特開平11−280332号には補
助力でドアを開けるようにしたドア開閉システムが記載
されている。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 11-280332 describes a door opening / closing system in which a door is opened by an auxiliary force.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、操作者の手
の動作方向、すなわち持ち上げる,下ろす,横に移動す
る力を検出して、操作者の手の動きのままに小型クレー
ンや介護リフターのような動力操作装置について、操作
者と機械とのインターフェイスの最適化を図って違和感
なく操作できるようにすることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention detects the direction of movement of an operator's hand, that is, the force of lifting, lowering, or moving laterally, so that a small crane or a care lifter can be operated with the operator's hand still moving. It is an object of the present invention to optimize the interface between the operator and the machine so that the power operation device can be operated without a sense of discomfort.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】握り体をそれを取り付け
る中心軸間に、棒状の歪検出部を中心軸の前後左右に4
本(2対)設置し、その棒状の歪検出部に歪ゲージを表
または/および裏2枚取り付け、操作者が加えている
x,yおよびz方向力を検出することを特徴とする3軸
センサを構成する。
[Means for Solving the Problems] A rod-shaped strain detecting portion is provided between the central axes for attaching the grip body to the front, rear, left and right of the central axis.
Three axes, which are installed in a book (two pairs), and the front and / or back of two strain gauges are attached to the rod-shaped strain detection unit to detect forces in the x, y and z directions applied by the operator. Configure the sensor.

【0007】力検出は、棒状の力検出部に発生する部材
表面の曲げ歪より曲げモーメントを計算し、1対の棒状
検出部よりxもしくはy方向力を計算することによって
行う。z方向力は、1対もしくは2対の棒状力検出部よ
りxもしくはy方向力と同様の手順で計算する。
The force is detected by calculating the bending moment from the bending strain of the member surface generated in the rod-shaped force detecting portion and calculating the x or y direction force from the pair of rod-shaped detecting portions. The z-direction force is calculated in the same procedure as the x- or y-direction force from one or two pairs of rod-shaped force detection units.

【0008】操作者の力で床上の物体を動かす場合の物
体移動速度にて吊り上げおよび横移動等の速度を決定し
て人と機械のインターフェイスとしての最適化を図る。
The speed of hoisting and lateral movement is determined by the object moving speed when the object on the floor is moved by the force of the operator to optimize the interface between man and machine.

【0009】ワイヤロープ下端の荷物用フック等にて物
体の吊り上げ移動を行う小型のクレーンなどの動力操作
装置によってフック近傍に前述したセンサシステムを取
り付け、x,y方向の移動並びにz方向の吊り上げ作業
を行う。
The above-mentioned sensor system is attached to the vicinity of the hook by a power operation device such as a small crane that lifts and moves an object by a luggage hook or the like at the lower end of the wire rope, and moves in x and y directions and lifting work in z direction. I do.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0011】図1は、本発明の実施例に使用する3軸セ
ンタの縦断面を示し、図2は図1のII−II断面を示す。
これらの図において、3軸力センサ100は、筒状の握
り体(握り部)2を有し、握り体2は、外筒21と4本
の棒状をなす歪(力)測定金物3(31,32,33,
34)と外筒21の中心を通り、歪測定金物3が固着さ
れた軸1から構成される。外筒21は、上端部が開放さ
れ、軸1は横方向の傾動動作が許容される。また、外筒
21は、4本すなわち2対の棒状の歪測定金物3(3
1,32,33,34)によって軸1に固着され、保持
される。
FIG. 1 shows a vertical cross section of a triaxial center used in the embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a II-II cross section of FIG.
In these drawings, the triaxial force sensor 100 has a cylindrical grip body (grip portion) 2, and the grip body 2 is formed with the outer cylinder 21 and four strain (force) measurement hardware 3 (31). , 32, 33,
34) and the shaft 1 which passes through the center of the outer cylinder 21 and to which the strain measurement hardware 3 is fixed. The outer cylinder 21 has an open upper end, and the shaft 1 is allowed to tilt in the lateral direction. In addition, the outer cylinder 21 includes four, that is, two pairs of rod-shaped strain measurement hardware 3 (3
1, 32, 33, 34) are fixed to the shaft 1 and held.

【0012】歪測定金物3は左右の一対の歪測定金物3
1,32と前後の一対の歪測定金物33,34から構成
され、棒状の歪(力)検出部に歪ゲージ4がそれぞれ表
裏2枚取り付けてある。歪ゲージ4は各歪検出部に1つ
ずつでもよいが表裏2枚取り付けとすることによって測
定精度が向上する。51は、溶接部分を示す。図2にお
いて、歪ゲージ4は左右の歪測定金物31,32にa、
bが、そして前記の歪測定金物33,34にc,dが取
り付けられる。
The strain measurement hardware 3 is a pair of left and right strain measurement hardware 3.
1, 32 and a pair of front and rear strain-measuring hardware 33, 34, and two strain gauges 4 are attached to the rod-shaped strain (force) detecting portion, respectively. One strain gauge 4 may be provided for each strain detection unit, but by mounting two strain gauges on the front and back, the measurement accuracy is improved. Reference numeral 51 indicates a welded portion. In FIG. 2, the strain gauge 4 is attached to the left and right strain measurement hardware 31, 32 by a,
b, and c and d are attached to the above-mentioned strain measurement metal parts 33 and 34.

【0013】軸1の上端には各種動力操作装置への取付
部6が設けられ、下端には荷物用のフック取付部5が設
けられる。
A mounting portion 6 for mounting various power operating devices is provided on the upper end of the shaft 1, and a hook mounting portion 5 for luggage is provided on the lower end.

【0014】以上のように、3軸力センサ100は、一
端が開放され、他端側に前後左右にそれぞれ対をなす歪
検出部を備え(2対の歪検出部を有する)、これらの歪
検出部がそれぞれ歪ゲージ4を備えた筒状の握り体2を
設け、筒状の握り体2を前記歪検出部を介して筒状方向
に延在する軸(体)1に固着して構成される。前述の例
にあっては、棒状の歪測定金物31,32,33,34
を使用しているが、板状であってもよく、連結材上に歪
ゲージ4を取り付けることによって歪検出部4が構成さ
れる。
As described above, the triaxial force sensor 100 has one end open, and the other end includes the strain detecting portions that make pairs in the front, rear, left, and right (having two pairs of strain detecting portions). The detection unit is provided with a cylindrical grip body 2 each having a strain gauge 4, and the cylindrical grip body 2 is fixed to a shaft (body) 1 extending in the cylindrical direction via the strain detection unit. To be done. In the above-mentioned example, the rod-shaped strain measuring hardware 31, 32, 33, 34
However, it may be plate-shaped, and the strain detector 4 is configured by mounting the strain gauge 4 on the connecting material.

【0015】尚、ここで「一端が開放される」とは、軸
1に対して図3に示すように握り体2が傾動することを
許容する為に開放されているということであり、傾動す
れば、柔かい材料で塞ぐことがあっても開放されている
と同じことであり、また外筒21内に柔かい物を入れて
おくこともでき、この場合にも開放されているというこ
とである。
The expression "one end is open" means that the grip body 2 is open to allow the tilting of the grip body 2 with respect to the shaft 1 as shown in FIG. If so, it is the same as being open even if it is closed with a soft material, and it is also possible to put a soft object in the outer cylinder 21 and it is also open in this case. .

【0016】このようにして構成した3軸力センサ10
0は、前述の例では上下方向に配設する構成としている
が、逆のすなわち上下方向を逆に配設してもよいし、横
方向配設としてもよい。したがって、ここで前後左右方
向とは図1に示す例の場合のことを示す。
The triaxial force sensor 10 constructed in this way
Although 0 is arranged in the vertical direction in the above-described example, it may be arranged in the opposite direction, that is, the vertical direction may be reversed, or may be arranged in the lateral direction. Therefore, the front-rear, left-right directions here refer to the case of the example shown in FIG.

【0017】握り部用の3軸力センサ100は、物を吊
り上げる軸1と握り体2(すなわち外筒21)に、それ
ら軸1と握り体2を1ヵ所にて結合する歪測定金物3
(棒状の力検出部を中心軸前後左右に設置)を設けるこ
とにより構成される。軸1の下端に物体を吊り下げ、上
端を小型クレーン等の本体に締結する。歪測定金物3
は、前後および左右の棒状部分が一対となっており、こ
れにより歪検出部が構成される。個々の棒状の力検出部
に歪ゲージ2枚を部材の表裏に取り付け、xあるいはy
及びz方向の操作者が加えている力を電圧値として検出
する。表裏2枚の歪ゲージを用いるのは、気温の変化に
よる金物の熱膨張をキャンセルするためである。
The three-axis force sensor 100 for the grip portion has a strain-measuring metal member 3 for connecting the shaft 1 and the grip body 2 (that is, the outer cylinder 21) for lifting the object to the shaft 1 and the grip body 2 at one place.
(A rod-shaped force detection unit is installed on the front, rear, left and right of the central axis). An object is suspended at the lower end of the shaft 1 and the upper end is fastened to the body of a small crane or the like. Strain measurement hardware 3
Has a pair of front and rear and left and right rod-shaped portions, and a strain detection unit is configured by this. Attach two strain gauges to the front and back of each member on each rod-shaped force detection part, and
And the force applied by the operator in the z direction is detected as a voltage value. The reason why the two strain gauges are used is to cancel the thermal expansion of the metal product due to the change in temperature.

【0018】力の検出方法は、握り体2に働く操作者の
力(x,y,z方向力)により歪測定金物3の前後左右
の棒状力検出部に発生するモーメントを歪ゲージにて検
出することによって行う。このモーメントには、x,y
およびz方向の力が共に影響している。そこで、後述す
る方法にてx,yおよびz方向力を分離して求める。x
方向力は、歪測定金物3の左右一対の棒状部材に発生す
るモーメントを用いる。y方向力は、歪測定金物3の前
後一対の棒状部材に発生するモーメントを用いる。z方
向力は、歪測定金物3の前後左右部材より求められるy
方向力およびx方向力の和となる。
The force is detected by a strain gauge, which detects the moments generated in the rod-shaped force detecting portions on the front, rear, left and right of the strain measuring hardware 3 by the force of the operator acting on the grip body 2 (force in the x, y, z directions). By doing. This moment has x, y
And the forces in the z direction both affect. Therefore, the forces in the x, y and z directions are separately obtained by the method described later. x
As the directional force, a moment generated in a pair of left and right rod-shaped members of the strain measurement hardware 3 is used. As the y-direction force, the moment generated in the pair of front and rear rod-shaped members of the strain measurement hardware 3 is used. The z-direction force is obtained from the front, rear, left, and right members of the strain measurement hardware 3 y
It is the sum of the directional force and the x-direction force.

【0019】尚、歪みゲージによる曲げモーメントの測
定は、一般的に表裏に貼り付けることにより行われる。
その理由は以下の通りである。 1.歪ゲージを表もしくは裏のどちらかに貼り付けても
部材に発生する曲げ歪み量を測定することが出来る。し
かし、気温等の変化による部材の伸び量も測定してしま
い、正確な曲げ歪量とはならない場合があり得る。 2.歪ゲージを表裏に2枚貼ることは、1枚に比較して
検出感度が2倍になること、及び温度による部材の伸び
量を2枚の歪ゲージの抵抗の差とすることにより、キャ
ンセルすることができ温度の影響なしに曲げ歪量のみ測
定することが出来る。
The measurement of the bending moment with a strain gauge is generally carried out by sticking on the front and back.
The reason is as follows. 1. The amount of bending strain generated in the member can be measured even if the strain gauge is attached to either the front or the back. However, the amount of elongation of the member due to a change in temperature or the like is also measured, and the amount of bending strain may not be accurate. 2. Affixing two strain gauges on the front and back sides cancels it by doubling the detection sensitivity as compared with one sheet and by setting the amount of elongation of the member due to temperature as the difference in resistance between the two strain gauges. Therefore, only the bending strain amount can be measured without the influence of temperature.

【0020】次に、図3を参照して操作者の力検出方法
について説明する。なお図3は、説明を分かり易くする
ため2次元モデルとしており、握り体は単に歪み測定金
物3の左右に配された棒状部材としている。この棒状部
材の上端は自由端とし下端のみ固定されているとしてモ
ーメント図を示している。図3において、握り部2は、
ほぼ手で握れるサイズに構成されており、手で握られて
x,yおよびz方向に移動、すなわち押圧される。今、
x−z座標でx方向にFxの力がそしてz方向にFzの
力が作用しているものとする。Wは重量物の重量を示
し、固定部59(後述する図3(d)に示す滑車9に相
当する)を示す。この場合に、測定原理は、握り体2を
横に押す力Fxによって歪検出部と軸1との接続点(接
点)に作用する曲げモーメント、および上方に持ち上げ
ようとする力Fzによって歪検出部に発生する曲げモー
メントによりFxおよびFzを計算することにある。
Next, a method for detecting the force of the operator will be described with reference to FIG. Note that FIG. 3 is a two-dimensional model for easy understanding of the explanation, and the grip body is simply a rod-shaped member arranged on the left and right of the strain measurement hardware 3. The moment diagram is shown assuming that the upper end of this rod-shaped member is a free end and only the lower end is fixed. In FIG. 3, the grip 2 is
It is sized so that it can be grasped by almost the hand, and is grasped by the hand and moved, that is, pressed in the x, y and z directions. now,
It is assumed that Fx force acts in the x direction and Fz force acts in the z direction on the xz coordinate. W indicates the weight of a heavy object, and indicates a fixed portion 59 (corresponding to a pulley 9 shown in FIG. 3D described later). In this case, the measurement principle is that the force Fx that pushes the grip body 2 laterally acts on the bending moment that acts on the connection point (contact point) between the strain detection unit and the shaft 1, and the force Fz that attempts to lift it upwards. It is to calculate Fx and Fz according to the bending moment generated at.

【0021】図3(a)は、上方に持ち上げる力Fzの
場合の曲げモーメント分布を示す。
FIG. 3 (a) shows a bending moment distribution in the case of a force Fz for lifting upward.

【0022】図3(b)は、横方向の力Fxが作用する
場合の曲げモーメント分布を示す。
FIG. 3B shows a bending moment distribution when a lateral force Fx acts.

【0023】図3(c)は、Fx,Fzが共に作用した
場合の曲げモーメント分布を示し、この分布は図3
(a)および図3(b)の和である。
FIG. 3 (c) shows a bending moment distribution when Fx and Fz act together, and this distribution is shown in FIG.
It is the sum of (a) and FIG. 3 (b).

【0024】図3(d)は、滑車9に握り体2を取り付
けた場合の曲げモーメント分布を示す。
FIG. 3D shows the bending moment distribution when the grip body 2 is attached to the pulley 9.

【0025】握り体2の二つの力の作用点11にそれぞ
れFx/2、及びFz/2の力が作用すると、外筒21
上、歪測定金物3上、および軸1上には図3(c)に示
すような曲げモーメント分布が発生する。
When the Fx / 2 and Fz / 2 forces act on the two force application points 11 of the grip body 2, the outer cylinder 21
A bending moment distribution as shown in FIG. 3C is generated on the upper portion, the strain measuring metal piece 3, and the shaft 1.

【0026】歪ゲージ4を設置したaおよびb点に発生
する歪によって求まる曲げモーメントMa,Mbは、F
xとFzとの関係として次数1および2として表され
る。尚、測定された歪の値はA/Dを介してパソコンに
入力され、計算に使用されることになる。
The bending moments Ma and Mb obtained by the strains generated at the points a and b where the strain gauge 4 is installed are F
The relationship between x and Fz is expressed as orders 1 and 2. The measured strain value is input to the personal computer via the A / D and used for calculation.

【0027】[0027]

【数1】 Fz∝(Mb−Ma) …数1[Equation 1] Fz∝ (Mb-Ma) ... Equation 1

【数2】 Fx∝−(Mb+Ma) …数2 で表わされる。[Equation 2] Fx∝- (Mb + Ma) ... Equation 2 It is represented by.

【0028】ここで、比例定数は、握り体2の外筒21
の固定状況により異なる。
Here, the proportional constant is the outer cylinder 21 of the grip body 2.
It depends on the fixed situation of.

【0029】x,yおよびz方向の移動の場合は、数1
In the case of movement in the x, y and z directions, Equation 1
But

【数3】 Fz∝(Mb−Ma+Md−Mc) …数3 となり、数2が[Equation 3] Fz∝ (Mb−Ma + Md−Mc) ... Equation 3 And the number 2

【数4】 Fy∝−(Md+Mc) …数4 となり、y方向の力検出が算出される。尚、歪ゲージ4
の取り付け位置については図2に示した通りである。
## EQU4 ## Fy∝- (Md + Mc) Equation 4 is obtained, and the force detection in the y direction is calculated. In addition, strain gauge 4
The mounting position of is as shown in FIG.

【0030】握り部用の3軸力センサ100とシステム
の制御方法は次のようになる。
The three-axis force sensor 100 for the grip and the control method of the system are as follows.

【0031】握り部用の3軸力センサ100を使用して
操作者の力を機械力で補助する使い易い自然な感覚を操
作者に与える人と機械のインターフェイスを実現する方
法について説明する。一つの例として小型クレーン(図
7)を考えると、クレーンのフック上部に握り部用の3
軸力センサ100を設置して操作者が握り体2を握って
動かせば、物体より離れたところのスイッチ操作ではな
く、人の動かす方向・速度等の意志が検出でき、この信
号で小型クレーンを制御すれば上記のインターフェイス
を実現できる。その方法は、図4において、小型クレー
ンなどのx,y,z方向に作用するアクチュエータ8
(上下,前後,左右移動機構)に、制御装置10内に仮
想的に平面に物体を置いて力Fを作用させたときの摩擦
を考慮し、物体の移動速度を求める運動モデル7を作成
し、操作者の力に比例する力Fが運動モデル7の質量に
作用したとして計算される速度を、比例定数kにて操作
者が使い易いように調整し、各アクチュエータ8に速度
指令を出力することにより行う。
A method of realizing a human-machine interface that gives the operator an easy-to-use natural sensation of assisting the operator with mechanical force using the three-axis force sensor 100 for the grip will be described. Consider a small crane (Fig. 7) as an example.
If the operator installs the axial force sensor 100 and moves the grip body 2 by grasping it, it is possible to detect the intention of the moving direction and speed of a person instead of operating the switch away from the object. If controlled, the above interface can be realized. The method is as shown in FIG. 4, in which an actuator 8 acting in the x, y, z directions of a small crane or the like is used.
A motion model 7 for obtaining the moving speed of the object is created by considering the friction when a force F is applied by virtually placing an object on a flat surface in the control device 10 (up / down, forward / backward, left / right moving mechanism). , A speed calculated as a force F proportional to the operator's force acting on the mass of the motion model 7 is adjusted by a proportional constant k so that the operator can easily use, and a speed command is output to each actuator 8. By doing.

【0032】力の加減等による使い易さのパラメータ
は、運動モデル7の質量,摩擦係数を適宜設定すること
により対応する。具体的には、3軸力センサ100より
の電圧出力を制御装置10に取り込み、次の方法でx,
y,z方向力を求め、これらの力を基にx,y,z方向
成分の速度を運動モデル7を基に各実時刻の移動速度を
数値計算し、各アクチュエータ8の制御装置30へ各時
刻毎に速度指令(例えば電圧値)を送出することにより
行う。この方法は、例えば位置指令を入力とし出力とし
ての位置(目標値)をPID制御等を実施する方法と異
なり、入力としての力による速度が運動モデル7により
決定される方式であり、目標値を有しない特徴が有る。
実際の物体の移動には、位置決めを行うが、この部分は
人が行う人を含めたフィードバック制御系で構成してい
る。なお、制御系の安定のためには、速度指令値とアク
チュエータ8の速度が同じになるようなフィードバック
制御をかけるのがよい。
The parameters of ease of use due to the adjustment of the force and the like correspond to the mass and friction coefficient of the motion model 7 being set appropriately. Specifically, the voltage output from the triaxial force sensor 100 is taken into the control device 10, and x,
The forces in the y and z directions are determined, the velocities in the x, y and z direction components are numerically calculated based on these forces, and the moving velocities at each real time are numerically calculated based on the motion model 7. This is done by sending a speed command (for example, a voltage value) every time. This method is different from, for example, a method in which a position command is input and a position (target value) as an output is subjected to PID control or the like, and the velocity due to the force as an input is determined by the motion model 7. There are features that it does not have.
Positioning is performed for the actual movement of the object, but this part is configured by a feedback control system including a person performed by a person. In order to stabilize the control system, it is preferable to perform feedback control so that the speed command value and the speed of the actuator 8 are the same.

【0033】図3を使用して3方向力(Fx,Fy,F
z)の測定方法について説明する。
Using FIG. 3, three-direction forces (Fx, Fy, F
The measuring method of z) will be described.

【0034】3方向力測定と2方向力測定は、同一原理
であるので、図3(d)には小型クレーンに3軸力セン
サを適用した場合の力センサに発生するモーメント図を
示した。本来操作者の握る行為によるFx,Fzの作用
点は一定範囲に分布するが、簡単のために集中荷重とし
て示す。操作者の力の作用点11にFx,Fzの力が作
用した場合には、握り体2を介して力検出用の歪測定金
物3に曲げモーメントが発生する。Fzのみ作用した場
合は、Fzと曲げモーメント測定点a,bに発生する曲
げモーメントMa,Mbの関係は、数1の関係となる。
Fxのみ作用した場合は、吊り下げロープ及び物体を吊
り上げる軸1も傾き、軸1に曲げモーメントが発生す
る。ここで軸1に発生する曲げモーメントは、Fxに関
連する。また軸1に発生する曲げモーメントは、Fzに
より発生するMa,Mbにアンバランスを発生させるが
数1の関係はそのまま使える。このアンバランスを用い
て、Fxを数2より求める。ここでの図は、ワイヤロー
プに吊り下がっている形で示しているが、機械本体など
の剛体に取り付けた場合も以上の数1、及び数2の関係
が成立する。
Since the three-direction force measurement and the two-direction force measurement have the same principle, FIG. 3 (d) shows a moment diagram generated in the force sensor when the three-axis force sensor is applied to the small crane. Originally, the points of action of Fx and Fz due to the operator's gripping action are distributed in a certain range, but for simplicity, they are shown as concentrated loads. When the forces Fx and Fz are applied to the action point 11 of the operator's force, a bending moment is generated in the strain measuring hardware 3 for force detection via the grip body 2. When only Fz acts, the relationship between Fz and the bending moments Ma and Mb generated at the bending moment measurement points a and b is expressed by the equation 1.
When only Fx acts, the hanging rope and the shaft 1 for lifting the object also tilt, and a bending moment is generated in the shaft 1. The bending moment generated on the shaft 1 here is related to Fx. Further, the bending moment generated in the shaft 1 causes an imbalance in Ma and Mb generated by Fz, but the relationship of the equation 1 can be used as it is. Using this imbalance, Fx is calculated from Equation 2. Although the figure is shown in the form of being hung on a wire rope, the above relationships of Equations 1 and 2 are also established when the apparatus is attached to a rigid body such as a machine body.

【0035】ここで、歪ゲージ4を軸1に取り付けるこ
とを考えると、歪ゲージ4を軸1に発生する曲げモーメ
ントと軸力を測定するようにセットする。これにて、F
xもしくはFyの測定は可能であるが、吊り上げる力の
測定が困難である。その理由は、物体を床から吊り上げ
るときに物体重量が軸1に懸り、軸1が伸びて吊り上げ
る力が測定できないためである。このため、歪測定金物
3を使って吊り上げる力を測定することを行う。
Considering that the strain gauge 4 is attached to the shaft 1, the strain gauge 4 is set so as to measure the bending moment and axial force generated on the shaft 1. With this, F
It is possible to measure x or Fy, but it is difficult to measure the lifting force. The reason is that when the object is lifted from the floor, the weight of the object hangs on the shaft 1 and the shaft 1 extends and the lifting force cannot be measured. Therefore, the lifting force is measured using the strain measuring hardware 3.

【0036】力F(t)、物体(m),摩擦(μ),速度
(V)としたとき力(Ft)の時間変化に伴う各時刻の
物体の速度(V)を次の運動方程式により決定する。
When the force F (t), the object (m), the friction (μ), and the velocity (V) are used, the velocity (V) of the object at each time with the time change of the force (Ft) is calculated by the following equation of motion. decide.

【数5】 [Equation 5]

【0037】歪測定金物3の形状について説明すると、
歪測定金物の数量及び棒状形状にこだわる必要はない。
例えば図11に示すように円盤状の取り付け金物を用い
ても良い。この場合は、x及びz方向力を分離すればよ
い。あるいは、実験的に前後左右に配置した歪ゲージ
(部材の表裏)のx,y,z方向力と出力電圧の関係を
求めるようにしてもよい。また、図12に示すような長
方形に握り体2を形成してもよい。更に図13あるいは
図14に示すように握り体2を変形しても同様の効果を
得ることができる。
Explaining the shape of the strain-measuring hardware 3,
It is not necessary to be particular about the quantity and rod shape of the strain measurement hardware.
For example, a disc-shaped mounting hardware as shown in FIG. 11 may be used. In this case, the forces in the x and z directions may be separated. Alternatively, the relationship between the x-, y-, and z-direction forces of the strain gauges (front and back of the member) arranged on the front, rear, left, and right sides and the output voltage may be experimentally obtained. Further, the grip body 2 may be formed in a rectangular shape as shown in FIG. Further, the same effect can be obtained by deforming the grip body 2 as shown in FIG. 13 or 14.

【0038】図5は、操作者の力が働いたときの速度指
令値を決定する制御フローを示す。曲げ歪測定用の歪ゲ
ージ4(a),(b),(c),(d)を使用して測定
値を検出し(S1)、測定値を増幅器31で増幅し(S
2)、制御装置10に入力する。測定値をA/D変換し
(S3)、Ma,Mb,Mc,Mdを求め(S4)、式
(1),式(2)からFx,Fy,Fzを求め(S
5)、運動方程式から速度パラメータVx,Vy,Vz
を決定する(S6)。速度パラメータをD/A変換(S
7)、速度指令値を出力して制御装置30を介してアク
チュエータ8に入力して(S8)、アクチュエータ8の
制御を行う(S9)。
FIG. 5 shows a control flow for determining the speed command value when the force of the operator acts. The strain gauges 4 (a), (b), (c), and (d) for bending strain measurement are used to detect the measured value (S1), and the measured value is amplified by the amplifier 31 (S).
2) Input to the control device 10. The measured values are A / D converted (S3), Ma, Mb, Mc, Md are calculated (S4), and Fx, Fy, Fz are calculated from the formulas (1) and (2) (S4).
5), velocity parameters Vx, Vy, Vz from the equation of motion
Is determined (S6). D / A conversion of speed parameter (S
7) The speed command value is output and input to the actuator 8 via the control device 30 (S8), and the actuator 8 is controlled (S9).

【0039】図6は、操作者の力が働いたときのアクチ
ュエータ8の力を制御する方法を示す。Fx方向への力
を例にとって説明する。制御装置10において、Fxお
よびアシスト係数入力(S12)によってモータトルク
決定(アシスト係数×Fx)し(S11)、エンコーダ
またはタコジェネモータの回転数を入力して(S1
3)、モータ回転数とトルクよりモータ印加電圧を計算
し(S14)、モータドライバ印加電圧を計算する(S
15)。求められた計算値をD/A変換し(S7)、モ
ータドライバを制御し(S16)、パワーアシストによ
る移動を行う(S17)。この移動は人力およびモータ
力の総計でなされることになる。エンコーダまたはタコ
ジェネモータの回転数取り込みを行う(S13)。
FIG. 6 shows a method of controlling the force of the actuator 8 when the force of the operator acts. The force in the Fx direction will be described as an example. In the control device 10, the motor torque is determined (assist coefficient × Fx) by Fx and assist coefficient input (S12) (S11), and the rotation speed of the encoder or the tachogenerator motor is input (S1).
3) Calculate the motor applied voltage from the motor speed and torque (S14), and calculate the motor driver applied voltage (S14).
15). The obtained calculated value is D / A converted (S7), the motor driver is controlled (S16), and the movement by power assist is performed (S17). This movement will be a total of human and motor power. The rotation speed of the encoder or the tachogenerator motor is fetched (S13).

【0040】速度は、操作者の意志(力)により決定
し、操作者を介するフィードバック制御を行う(S1
8)。この制御は、曲げ歪測定用の歪ゲージに反映され
る(S1)。
The speed is determined by the intention (force) of the operator, and feedback control via the operator is performed (S1).
8). This control is reflected in the strain gauge for measuring bending strain (S1).

【0041】図7は、3軸力センサ100を使用してパ
ワーアシスト(補助)して物体を移動する例としての小
型クレーン装置を示す。小型クレーンは、物体の移動時
の操作性がよく、組み立て作業や高齢者の荷物の積み卸
しに有効な動力操作装置の典型的な一例である。
FIG. 7 shows a small crane device as an example in which an object is moved by power assisting (assisting) using the triaxial force sensor 100. A small crane is a typical example of a power operation device that has good operability when moving an object and is effective for assembly work and unloading of luggage for elderly people.

【0042】図において、小型クレーン装置の本体12
にはワイヤ巻取装置13(サーボモータ)が設けてあ
り、ワイヤ14は中継滑車15を介して滑車受部17に
接続され、吊上滑車9を上下方向に移動可能とする。ワ
イヤ14の先端は本体の端部31に接続される。
In the figure, the main body 12 of the small crane device is shown.
Is provided with a wire winding device 13 (servo motor), and the wire 14 is connected to a pulley receiving portion 17 via a relay pulley 15 to enable the lifting pulley 9 to move in the vertical direction. The tip of the wire 14 is connected to the end 31 of the body.

【0043】また、本体12の上部には横移動装置16
であるサーボモータが設けてあり、横移動用タイミング
ベルト18を駆動し、この横移動用タイミングベルト1
8によって滑車受部17を横移動可能としている。
A horizontal moving device 16 is provided on the upper part of the main body 12.
Is provided, which drives the lateral movement timing belt 18, and the lateral movement timing belt 1
The pulley receiving portion 17 can be moved laterally by 8.

【0044】荷物用フック19には荷物が吊り下げられ
ており、モータを含むパワーアシストシステムによって
上下動および横移動される。
A luggage is hung on the luggage hook 19 and is vertically moved and laterally moved by a power assist system including a motor.

【0045】荷物用フック19の軸1には3軸力センサ
100が取り付けてあり、測定値は制御装置10である
パソコンに入力され、ここで前述したようにして曲げモ
ーメントの算出によってx,yおよびz方向に働く力F
x、Fy、Fzが求められ、指令信号が作られる。
A three-axis force sensor 100 is attached to the shaft 1 of the luggage hook 19, and the measured values are input to the personal computer which is the control device 10. Here, x and y are calculated by calculating the bending moment as described above. And the force F acting in the z direction
x, Fy, Fz are obtained, and a command signal is generated.

【0046】指令信号はモータ制御装置20に入力され
る。Fz方向の指令信号によりモータ制御装置20aは
ワイヤ14を駆動して荷物用フック19を上下方向に動
かし、Fx方向の指令信号によりモータ制御装置20b
は横移動装置16を制御し、横移動用タイミングベルト
18を駆動して荷物用フック19をx軸方向に動かす。
The command signal is input to the motor controller 20. The motor controller 20a drives the wire 14 to move the luggage hook 19 in the vertical direction by the command signal in the Fz direction, and the motor controller 20b in response to the command signal in the Fx direction.
Controls the lateral movement device 16 to drive the lateral movement timing belt 18 to move the luggage hook 19 in the x-axis direction.

【0047】y軸方向に動かすには、もう1つのモータ
制御装置を設けることによってx軸方向と同様にして駆
動すればよい。
To move in the y-axis direction, another motor control device may be provided to drive the motor in the same manner as in the x-axis direction.

【0048】図8は、任意方向への移動のための制御装
置を示す。
FIG. 8 shows a control device for moving in an arbitrary direction.

【0049】図において、3軸力センサ100からの測
定値(0〜5V)は、制御装置10に入力され、制御装
置10は入力した値を使用して図4に示したようにして
運動モデル7を作用して計算し、モータ制御装置20に
計算値を入力する。入力した値はパルス発信器32によ
ってパルスに変換され、動作方向の指示と共にドライバ
33に入力される。
In the figure, the measured value (0 to 5 V) from the triaxial force sensor 100 is input to the control device 10, and the control device 10 uses the input value to perform the motion model as shown in FIG. 7 is operated to perform calculation, and the calculated value is input to the motor control device 20. The input value is converted into a pulse by the pulse oscillator 32 and is input to the driver 33 together with an instruction of the operation direction.

【0050】ドライバ33は、x,yおよびz方向に加
えるべきパワーアシスト力を指令値(速度指令)として
ワイヤ巻取装置13あるいは/および横移動装置16に
出力する。
The driver 33 outputs the power assist force to be applied in the x, y and z directions as a command value (speed command) to the wire winding device 13 and / or the lateral moving device 16.

【0051】以上のようにして、最大10kgf程度の
部品の組み付け作業の省力化と作業者の疲労軽減、及び
高齢者の就労を目的とした小型のパワーアシスト移載装
置が提供される。
As described above, a small-sized power assist transfer device is provided for the purpose of saving labor for assembling parts having a maximum weight of about 10 kgf, reducing operator fatigue, and working for the elderly.

【0052】この装置は、Z軸(縦方向)と横方向の2
自由度を持つ。制御方法は前述した通りであり、同荷重
においてスムーズに片手で軽く吊り上げ、そこに移動さ
せ静かに設置させることが可能である。また、斜め上方
及び斜め下方にも動かすことが可能となっている。既存
のクレーンのようなスイッチ操作でないため、操作者の
意志どおりに協調して動作する。人の自然な感覚に非常
に良く合っている。また、スイッチ操作の煩雑さから解
放される。
This device has a Z-axis (vertical direction) and a horizontal direction.
Have freedom. The control method is as described above, and it is possible to smoothly hoist it gently with one hand under the same load, move it there, and install it quietly. It can also be moved diagonally upward and diagonally downward. Since it is not a switch operation like the existing crane, it works in cooperation with the operator's will. It fits very well with one's natural feeling. Moreover, the complexity of the switch operation is released.

【0053】図9は、他の応用例としての介護リフター
を示す。
FIG. 9 shows a care lifter as another application example.

【0054】介護用リフター40は、本体41,自在継
ぎ手69、自在継ぎ手69によって吊り上げられる椅子
42,1軸アクチュエータ13を備える。自在継ぎ手6
9と椅子42との間または/および椅子42の下端部4
3に3軸力センサ100(100a,100b)が設置
される。2ヵ所にしたのは、介護用の椅子42を持ち上
げるに当っては椅子42の上下部に力を加えるためであ
る。前述したように、3軸力センサ100によって介護
用の椅子42に加えられた力が検出される。
The care lifter 40 includes a main body 41, a universal joint 69, a chair 42 lifted by the universal joint 69, and a uniaxial actuator 13. Universal joint 6
9 and / or the lower end 4 of the chair 42
The three-axis force sensor 100 (100a, 100b) is installed in the No. 3 unit. The reason for providing the two places is to apply force to the upper and lower portions of the chair 42 when lifting the care chair 42. As described above, the force applied to the care chair 42 is detected by the triaxial force sensor 100.

【0055】3軸力センサ100a,100bで検出さ
れた力信号は制御装置10に入力され、図8に示すと同
様にして、速度指令としてドライバ33に出力され、ド
ライバ33によってワイヤ巻取装置13を駆動し、椅子
42を上下動させる。
The force signals detected by the triaxial force sensors 100a and 100b are input to the control device 10 and output to the driver 33 as a speed command in the same manner as shown in FIG. 8, and the wire winding device 13 is output by the driver 33. To move the chair 42 up and down.

【0056】介護用リフター40に3軸力センサ100
a,100bを被介護者の近傍もしくは接する場所に取
り付け、介護者と被介護者が一体となった自然な感覚を
被介護者に与えてベッドなどからの移動を行う。従来の
装置は、離れたところにスイッチがあり、スイッチのみ
操作すると、被介護者は、ものとして吊り上げられてい
る感覚に陥り不安となる。また、人がやや離れて操作す
るために、介護リフターで設定されている非常に遅い一
定速度で動く。この介護用リフター40は、介護者が速
度を自由に決められるので、移動時間の短縮が図られ
る。また、図9に示すような3軸力センサの配置とすれ
ば、片手をセンサ、もしくは一方の手を被介護者に添え
る自然な姿勢で操作することができる。このために、介
護者,被介護者共に人間の自然な感覚にあった介護リフ
ターとなる。スイッチ操作の煩雑さからも開放される。
The triaxial force sensor 100 is attached to the lifter 40 for care.
The a and 100b are attached in the vicinity of or in contact with the cared person, and the cared person and the cared person are given a natural feeling to the cared person to move from the bed or the like. The conventional device has a switch at a remote place, and if only the switch is operated, the cared person feels anxious as he / she falls into the feeling of being lifted as a thing. In addition, in order for the person to operate a little away, it moves at a very slow constant speed set in the care lifter. Since the caregiver can freely decide the speed of the care lifter 40, the moving time can be shortened. Further, by disposing the three-axis force sensor as shown in FIG. 9, it is possible to operate with one hand of the sensor, or one hand in a natural posture in which the care recipient is placed. For this reason, both the caregiver and the cared person become care lifters that match the natural sense of human beings. It is also released from the complexity of switch operation.

【0057】図10は、椅子42への握り体2を使用し
た3軸力センサ100の設置例を示す。
FIG. 10 shows an installation example of the triaxial force sensor 100 using the grip body 2 on the chair 42.

【0058】[0058]

【発明の効果】以上のように、本発明は、x、yおよび
z軸方向に加えられた力を手で握れるサイズの握り体2
によって検出しており、パワーアシスト力を求めるよう
にしているので、操作者と機械とのインターフェイスの
最適化を図ることができ、スムーズな動力操作装置の操
作が可能になる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, according to the present invention, the grip body 2 is sized so that the forces applied in the x-, y-, and z-axis directions can be held by the hand.
Since it is detected by the power assisting force, the interface between the operator and the machine can be optimized, and the power operation device can be operated smoothly.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例である3軸力センサの縦断面
図。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a triaxial force sensor that is an embodiment of the present invention.

【図2】図1のII−II断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG.

【図3】曲げモーメント分布図。FIG. 3 is a bending moment distribution diagram.

【図4】操作力で移動速度を決めるフローチャート図。FIG. 4 is a flowchart showing how to determine a moving speed by operating force.

【図5】制御フローチャート図。FIG. 5 is a control flowchart.

【図6】操作力でアクチュエータの力を制御するフロー
チャート図。
FIG. 6 is a flow chart diagram in which the force of the actuator is controlled by the operating force.

【図7】応用例としてのパワーアシスト移載装置の構成
図。
FIG. 7 is a configuration diagram of a power assist transfer device as an application example.

【図8】任意方向に制御を行うための制御装置の構成
図。
FIG. 8 is a configuration diagram of a control device for performing control in an arbitrary direction.

【図9】他の応用例としての介護リフターの構成図。FIG. 9 is a configuration diagram of a care lifter as another application example.

【図10】3軸力センサの設置例を示す図。FIG. 10 is a diagram showing an installation example of a triaxial force sensor.

【図11】3軸力センサの変形例を示す図。FIG. 11 is a view showing a modified example of the triaxial force sensor.

【図12】3軸力センサの変形例を示す図。FIG. 12 is a view showing a modified example of the triaxial force sensor.

【図13】3軸力センサの変形例を示す図。FIG. 13 is a view showing a modified example of the triaxial force sensor.

【図14】3軸力センサの変形例を示す図。FIG. 14 is a view showing a modified example of the triaxial force sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…軸、2…握り体(握り部)、3…歪(力)測定金
物、4…歪ゲージ、5…荷物用のフック取付部、6…取
付部、7…運動モデル、8…アクチュエータ、9…吊上
滑車、10…制御装置、11…作用点、12…本体、1
3…ワイヤ巻取装置、14…ワイヤ、15…中継滑車、
16…横移動装置、17…滑車受部、18…横移動用タ
イミングベルト、19…荷物用フック、20…モータ制
御装置、40…介護用リフター、41…本体、100…
3軸力センサ。
1 ... Shaft, 2 ... Grip body (grip part), 3 ... Strain (force) measuring hardware, 4 ... Strain gauge, 5 ... Luggage hook mounting part, 6 ... Mounting part, 7 ... Motion model, 8 ... Actuator, 9 ... Lifting pulley, 10 ... Control device, 11 ... Point of action, 12 ... Main body, 1
3 ... Wire winding device, 14 ... Wire, 15 ... Relay pulley,
16 ... Lateral movement device, 17 ... Pulley receiving part, 18 ... Lateral movement timing belt, 19 ... Luggage hook, 20 ... Motor control device, 40 ... Care lifter, 41 ... Main body, 100 ...
3-axis force sensor.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】一端側が開放され、他端側に前後左右にそ
れぞれ対をなす歪検出部を備え、該歪検出部がそれぞれ
歪ゲージを備えた筒状の手で握れるサイズの握り体を設
け、該筒状の握り体を前記歪検出部を介して筒状方向に
延在する軸体に固着し、 前記歪ゲージによって検出されたX,YおよびZ方向の
歪に基づいて、X,YおよびZ方向の力を算出する処理
装置を設けたことを特徴とする3軸力センサシステム。
1. A grip body, which is open at one end and has paired front and rear and left and right strain detection sections, and each strain detection section is provided with a strain gauge and is sized to be gripped by a cylindrical hand. , The tubular grip is fixed to a shaft extending in the tubular direction via the strain detecting section, and X, Y and Z directions are detected based on the strains in the X, Y and Z directions detected by the strain gauge. And a processing device for calculating the force in the Z direction, the three-axis force sensor system.
【請求項2】請求項1において、 前記軸体を筒状の握り体の中心を貫通せしめ、該軸体と
前記歪検出部との固着点を中心として前後左右対称に歪
ゲージを設けたことを特徴とする3軸力センサシステ
ム。
2. The strain gauge according to claim 1, wherein the shaft body is penetrated through the center of a cylindrical grip body, and strain gauges are provided symmetrically in the front-rear direction and the left-right direction about the fixing point between the shaft body and the strain detecting section. A three-axis force sensor system.
【請求項3】請求項1において、 前記処理装置は、前記歪検出部に発生する部材表面の曲
げ歪により曲げモーメントを計算し、1対の歪検出部に
よってxもしくはy方向力を計算し、2対の歪検出部に
よってz方向力を計算することを特徴とする3軸力セン
サシステム。
3. The processing device according to claim 1, wherein the processing device calculates a bending moment based on a bending strain of a member surface generated in the strain detection unit, and calculates an x or y direction force by a pair of strain detection units, A triaxial force sensor system characterized in that the force in the z direction is calculated by two pairs of strain detection units.
【請求項4】ワイヤロープ下端に吊り上げ装置が設けら
れ、かつ吊り上げ力をアシストするパワーアシスト装置
が設けられた動力操作装置において、 前記吊り上げ装置の近傍に加えられた力によって発生す
るx,yおよびz方向の歪を検出する歪検出手段を備え
た手で握れるサイズの3軸力センサを設け、該3軸力セ
ンサで検出した歪に基づいてx,yおよびz方向の力を
算出する算出手段を設け、算出された力に応じて可変の
補助力にて吊り上げ装置をx,yおよびz方向に操作す
るように前記パワーアシスト装置を構成したことを特徴
とする動作操作装置。
4. A power operating device having a lifting device provided at the lower end of a wire rope and a power assist device for assisting the lifting force, wherein x, y and a force generated by a force applied in the vicinity of the lifting device. Calculating means for providing a hand-held triaxial force sensor having a strain detecting means for detecting a strain in the z direction, and calculating forces in the x, y and z directions based on the strain detected by the triaxial force sensor And a power assisting device configured to operate the lifting device in the x, y, and z directions with a variable assisting force according to the calculated force.
【請求項5】本体と、該本体に介護用椅子を吊り上げる
吊り上げ装置が設けられ、かつ吊り上げ力をアシストす
るパワーアシスト装置が設けられた介護リフターにおい
て、 介護用の椅子に加えられた力によって、x,yおよびz
方向に発生する歪を検出する歪検出手段を備えた3軸力
センサを設け、該3軸力、前記で検出した歪によって
x,yおよびz方向の力を算出する手段を設け、算出さ
れた力に応じた可変の補助力にて吊り上げ装置をx,y
およびz方向に操作するように前記パワーアシスト装置
を構成したことを特徴とする介護リフター。
5. A nursing lifter provided with a main body and a lifting device for lifting a nursing chair on the main body, and a power assist device for assisting the lifting force, wherein the force applied to the nursing chair x, y and z
A three-axis force sensor having a strain detecting means for detecting a strain generated in the direction is provided, and a means for calculating the forces in the x, y and z directions by the three-axis force and the strain detected above is provided and calculated. The lifting device can be moved in x, y with a variable auxiliary force according to the force.
And a care lifter in which the power assist device is configured to be operated in the z direction.
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