JP2003214963A - 低剛性力検出方法及び装置 - Google Patents
低剛性力検出方法及び装置Info
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Abstract
収検出機構を使用することにより、大きな衝撃力が作用
した場合でも破損するおそれのない低剛性力検出装置を
得る。 【解決手段】 衝撃力の作用によって互いの間隔が変化
する方向に変位する一対の相対する基板2a,2bの間
に、衝撃吸収手段4と力検出手段5とが一体となった吸
収検出機構3を少なくとも一つ介設し、両基板2a,2
b間に作用する衝撃力を上記衝撃吸収手段4の弾性力に
よって吸収しながら、両基板2a,2b間の力を上記力
検出手段5で検出する。
Description
及び装置に関するものであり、特に、脚式ロボットの姿
勢の安定制御を行うために、この脚式ロボットの足部と
接地面との間の力やトルク等の計測を行う場合などに好
適に利用することができる、低剛性力検出方法及び装置
に関するものである。
外部へ加えられる力や脚式ロボットの接地力等を計測す
るため、従来より、比較的剛性の高い機構に例えば歪ゲ
ージを貼り付けて応力を計測し、それによって力やトル
ク等を検出するようにした力検出装置が用いられてい
る。この検出装置は、ロボットの高精度な位置や力の制
御を実現するため従前より、ロボット全体の剛性を大幅
に低くすることなく力を検出できる装置及びシステムが
求められてきたことから、このような要求に合致したも
のであった。
は、大きな衝撃力が作用したとき力検出装置が破損し易
いという点である。特に、この力検出装置を脚式ロボッ
トの接地力計測に利用した場合、ロボットの全体重及び
衝突速度に比例する力が検出装置に作用するため、この
力検出装置が破損する可能性は高く、頻繁な交換を必要
とする。
トの場合に、リンクと外部環境が衝突するときの衝撃力
を吸収するため、例えばゴムブッシュ機構等の低剛性の
衝撃力吸収機構を備える方式及びシステムが使われるよ
うになり、有望な装置となりつつある。このような機構
を用いる場合、機構全体の剛性は相対的に低くなるの
で、従来のような高剛性の力検出機構を用いる必要性は
低くなる。
は、衝撃吸収手段と力検出機構とを一体化して使用する
ことにより、大きな衝撃力が作用した場合でも力検出機
構の破損を生じるおそれがない、低剛性力検出のための
技術を提供することにある。
め、本発明によれば、衝撃力の作用によって互いの間隔
が変化する方向に変位する一対の相対する基板の間に、
衝撃吸収手段と力検出手段とが一体となった吸収検出機
構を少なくとも一つ介設し、両基板間に作用する衝撃力
を上記衝撃吸収手段の弾性力によって吸収しながら、両
基板間の力を上記力検出手段で検出することを特徴とす
る低剛性力検出方法が提供される。
収手段で衝撃力を吸収しながら両基板間に加わる力を力
検出手段で検出するようにしているため、大きな衝撃力
が作用した場合でも検出装置が破損するおそれがない。
衝撃吸収手段がゴム弾性を有する柱状の低剛性部材から
なると共に、力検出手段が変位センサーからなってい
て、上記低剛性部材の長さ方向の歪みに応じた力がこの
変位センサーで計測される。
撃吸収手段が作動流体を封入した圧力チャンバーである
と共に、力検出手段が圧力センサーであって、上記圧力
チャンバー内の圧力をこの圧力センサーで力として検出
される。
よれば、衝撃力の作用によって互いの間隔が変化する方
向に変位可能な一対の相対する基板と、これらの基板間
に介設された少なくとも一つの吸収検出機構とを含み、
この吸収検出機構が、上記両基板間に作用する衝撃力を
弾性力によって吸収する衝撃吸収手段と、両基板間の力
を検出する力検出手段とを一体に備えていることを特徴
とする低剛性力検出装置が提供される。
ば、上記衝撃吸収手段が、ゴム弾性を有する柱状の低剛
性部材で形成されると共に、力検出手段が、この低剛性
部材の長さ方向の歪みに応じた力を検出する変位センサ
ーで形成される。
上記衝撃吸収手段が、両基板間に形成されて作動流体が
封入された圧力チャンバーであり、また力検出手段が、
この圧力チャンバー内の圧力を力として検出する圧力セ
ンサーである。
軸方向の相対的な変位と、X軸及びY軸の回りの相対的
な変位については自由度を有しているが、Z軸の回りの
相対的な変位と、X軸方向及びY軸方向への相対的な変
位は規制されている。具体的には、上記一対の基板のう
ち一方の基板の複数の側辺に、弧状の凹部とこの凹部の
内周面の一部に形成された突条とを設け、他方の基板に
は、上記凹部に嵌合して突条に接触する柱状のストッパ
を設けることにより、上記一対の基板のZ軸回りの相対
的な変位とX軸方向及びY軸方向への相対的な変位を規
制すると共に、Z軸方向への相対的な変位とX軸及びY
軸回りの相対的な変位については自由度を有するように
構成している。
の第1実施例を原理的に示すもので、この検出装置1A
は、相対する一対の基板2a,2bと、これらの基板2
a,2b間に介設された吸収検出機構3とを有してい
る。
保ったまま相互間の間隔が変化する方向に変位自在なる
ように配設されている。換言すれば、これらの基板2
a,2bは、それらと直交するZ軸方向に相対的に変位
自在で、その他の方向、即ち、基板2a,2bと平行で
互いに直交するX軸方向及びY軸方向への相対的な変位
と、X軸とY軸及びZ軸の回りの回転方向変位に対して
は、図示しないストッパー等の手段で規制されることに
よって剛性が高められている。しかし、X軸及びY軸回
りの変位については、若干の自由度を持っていても良
い。
段4と力検出手段5とを一体化することにより形成され
ている。このうち衝撃吸収手段4は、ゴムブッシュのよ
うなゴム弾性を有する中空円柱状の低剛性部材10によ
り形成されていて、この低剛性部材10が上記両基板2
a,2b間に取り付けられ、その長さ方向の弾性歪みに
よって両基板2a,2b間に作用する衝撃力を吸収する
ものである。また、上記力検出手段5は、直線方向の変
位を計測できる変位センサー11からなっていて、この
変位センサー11が、上記低剛性部材10の内部に収容
されると共に、その両端がボールジョイント12,12
を介して上記両基板2a,2bに連結され、この変位セ
ンサー11で上記低剛性部材10の長さ方向の歪みを計
測することにより、両基板2a,2b間に加わるZ軸方
向の直動力を検出できるように構成されている。この吸
収検出機構3は複数設けることができる。
は、両基板2a,2b間に作用する衝撃力を低剛性部材
10の弾性力によって吸収しながら、この低剛性部材1
0の圧縮に伴う長さ方向の歪みを上記変位センサー11
で計測することにより、両基板2a,2b間に加わる力
を検出することができる。このため、両基板2a,2b
間に大きな衝撃力が作用した場合でも、検出装置が破損
するおそれはない。
よって衝撃を吸収できるものであれば、その素材や形状
あるいは中空か非中空かといったようなことは任意であ
る。一方、変位センサー11も、リニアポテンショメー
ターやリニアエンコーダーあるいはレーザ変位センサー
など、直線的な変位を検出できるものであればどのよう
なものでも良く、また、この変位センサーは必ずしも低
剛性部材10の内部に設ける必要はなく、その外部に配
置することもできる。
もので、この第2実施例の検出装置1Bが上記第1実施
例の検出装置1Aと相違する点は、吸収検出機構3の衝
撃吸収手段4が圧力チャンバー15により形成されると
共に、力検出手段5が圧力センサー16により形成され
ているという点である。即ち、実質的に平行に配置され
た一対の基板2a,2bの間には、ゴムや合成樹脂のよ
うな非通気性と柔軟性と好ましくはゴム弾性とを備えた
素材で形成された外皮17が取り付けられ、この外皮1
7内に空気や水、油等の作動流体が封入された上記圧力
チャンバー15が形成されている。また、一方の基板2
aには、上記圧力チャンバー15の圧力を力として検出
する上記圧力センサー16が取り付けられていて、この
圧力センサー16と圧力チャンバー15とが連通路15
aで結ばれている。
a,2b間に作用する衝撃力を上記圧力チャンバー15
の弾性変形によって吸収しながら、この圧力チャンバー
15内の圧力を圧力センサー16で計測することによ
り、上記両基板2a,2bの間に作用する直動変位方向
の力を検出することができる。
この第3実施例の検出装置1Cは、回転方向の力を検出
するように構成されている点で、上記第1実施例と相違
している。即ち、二つの基板2a,2bが、X軸を中心
にして相互間の角度(間隔)が変わる方向に相対的に変
位自在なるように配設され、これらの基板2a,2bの
間に、衝撃吸収手段4と力検出手段5とが一体になった
吸収検出機構3が少なくとも一つ介設されている。上記
基板2a,2bは、X軸の位置で互いに連結されている
とは限らない。
中空円柱状の低剛性部材20からなっていて、その両端
は、両基板2a,2bの傾斜に合わせて斜めにカットさ
れている。また、上記力検出手段5は、回転方向の変位
を計測できる変位センサー21からなっていて、この変
位センサー21が、上記低剛性部材20の内部に収容さ
れると共に、その両端がボールジョイント22,22を
介して上記両基板2a,2bに連結され、この変位セン
サー21で上記低剛性部材20の回転方向の歪みを計測
することにより、両基板2a,2b間に加わる回転方向
の力即ちトルクを検出できるように構成されている。そ
れ以外は実質的に第1実施例と同様である。
剛性部材20は、ゴム弾性によって衝撃を吸収できるも
のであればその素材や形状等は任意である。また、変位
センサー21も、ロータリーポテンショメーターやロー
タリーエンコーダーなど、回転変位を検出できるもので
あればどのようなものでも良く、さらにこの変位センサ
ー21は、必ずしも低剛性部材20の内部に設ける必要
はなく、外部に配置することもできる。
この第4実施例の検出装置1Dが上記第3実施例の検出
装置1Cと異なる点は、衝撃吸収手段4が圧力チャンバ
ー25により形成されると共に、力検出手段5が圧力セ
ンサー26により形成されている点である。即ち、X軸
を中心に回転方向に変位自在の一対の基板2a,2bの
間には、非通気性と柔軟性と好ましくはゴム弾性とを備
えた素材からなる外皮27が取り付けられ、この外皮2
7内に空気や水、油等の作動流体が封入された上記圧力
チャンバー25が形成されている。また、一方の基板2
a,2bには、上記圧力チャンバー25の圧力を力とし
て検出する上記圧力センサー26が取り付けられてい
て、この圧力センサー26と圧力チャンバー25とが連
通路25aで結ばれている。それ以外は実質的に第2実
施例と同様である。
a,2b間に作用する衝撃力を圧力チャンバー25の弾
性力により吸収しながら、この圧力チャンバー25内の
圧力を圧力センサー26で計測することにより、上記両
基板2a,2bの間に作用する回転方向の力を検出する
ことができる。
この検出装置1Eは、第1及び第2の二つの基板2a,
2bの間に複数の吸収検出機構3を設けたものである。
この例では、両基板2a,2bの間に4組の吸収検出機
構3が、4角形の4隅に位置するような位置関係に設置
されている。これらの吸収検出機構3は、第1実施例の
ように低剛性部材10と変位センサー11とを組み合わ
せたものでも、第2実施例のように圧力チャンバー15
と圧力センサー16とを組み合わせたものでも良く、ま
た、それらを併用しても良い。
の中央部には、それぞれ円弧状の凹部30が形成され、
これに対して第2の基板2bには、上記凹部30に係合
する円柱状のストッパー31が設けられ、これらの凹部
30とストッパー31とによって両基板2a,2bが、
Z軸の回りの相対的な回転と、X軸方向及びY軸方向へ
の相対的な平行移動に対しては、それらの変位が規制さ
れることによって高剛性を有するように構成されてい
る。また、上記凹部30の内周面の一部には、上記スト
ッパー31の外周面に円弧接触する弧状の断面を有する
突条34が備えられている。従って両基板2a,2b
は、Z軸方向には相対的に変位自在であり、また、X軸
回り及びY軸の回りの相対的な回転変位については、上
記突条34によってある程度の自由度が与えられ、剛性
は若干低くなっている。図中32は制御装置で、上記吸
収検出機構3からの検出信号を受けて力あるいはトルク
を算出すると共に、ロボット等の制御信号を得るもので
ある。このような制御装置は、上記第1〜第4実施例の
検出装置にも設けられる。
脚式ロボットの足部の機構に使用するのに適している。
そして、吸収検出機構3が低剛性部材10と変位センサ
ー11とを組み合わせたものである場合には、低剛性部
材10の変形による長さの変化を変位センサー11で計
測することにより、また、吸収検出機構3が圧力チャン
バー15と圧力センサー16とを組み合わせたものであ
る場合には、この圧力チャンバー15内の圧力を圧力セ
ンサー16で計測することにより、上記両基板2a,2
bの間に加わる力を検出することができる。
Z軸方向の力、即ち鉛直力を求めるとすると、この鉛直
力Fzは、 Fz=α(P1+P2+P3+P4) により求めることができる。ここに、αは比例係数、P
1,P2,P3,P4はそれぞれ4組の吸収検出機構3で計測
された力である。また、X軸及びY軸の回りのモーメン
トMx,Myは、 Mx=β(P1−P3) My=β(P2−P4) により求めることができる。
方向に働く水平力Fx,Fyは、例えばストッパー31に歪
ゲージ33を貼り付け、従来と同じ手法によって計測す
ることが可能である。また、高剛性回転成分である鉛直
軸(Z軸)の回りのトルクについても、同様にストッパ
ーに貼り付けた歪ゲージによって計測可能である。この
ように得られた力及びトルク情報を制御装置32に取り
込み、所望の各種制御を行なうことができる。
式ロボットの脚部のように、鉛直方向には衝撃力を吸収
する必要があるが、水平方向にはその必要がない代わり
に高剛性を求められるといったように、異方性の特性を
必要とする場所に好適に使用することができる。あるい
は、脚式ロボット以外であっても、ある軸方向には低剛
性を、他の軸方向には高剛性を必要とする機構に用いる
ことができる。
衝撃吸収手段と力検出手段とを一体化して使用すること
により、大きな衝撃力が作用した場合でも破損するおそ
れのない低剛性力検出装置を得ることができる。
概略的に示す斜視図である。
概略的に示す斜視図である。
Claims (8)
- 【請求項1】衝撃力の作用によって互いの間隔が変化す
る方向に変位する一対の相対する基板の間に、衝撃吸収
手段と力検出手段とが一体となった吸収検出機構を少な
くとも一つ介設し、両基板間に作用する衝撃力を上記衝
撃吸収手段の弾性力によって吸収しながら、両基板間の
力を上記力検出手段で検出することを特徴とする低剛性
力検出方法。 - 【請求項2】上記衝撃吸収手段がゴム弾性を有する柱状
の低剛性部材であると共に、力検出手段が変位センサー
であって、低剛性部材の長さ方向の歪みに応じた力をこ
の変位センサーで計測することを特徴とする請求項1に
記載の低剛性力検出方法。 - 【請求項3】上記衝撃吸収手段が作動流体を封入した圧
力チャンバーであると共に、力検出手段が圧力センサー
であって、上記圧力チャンバー内の圧力をこの圧力セン
サーで力として検出することを特徴とする請求項1に記
載の低剛性力検出方法。 - 【請求項4】衝撃力の作用によって互いの間隔が変化す
る方向に変位可能な一対の相対する基板と、これらの基
板間に介設された少なくとも一つの吸収検出機構とを含
み、この吸収検出機構が、上記両基板間に作用する衝撃
力を弾性力によって吸収する衝撃吸収手段と、両基板間
の力を検出する力検出手段とを一体に備えていることを
特徴とする低剛性力検出装置。 - 【請求項5】上記衝撃吸収手段が、ゴム弾性を有する柱
状の低剛性部材により形成されると共に、力検出手段
が、上記低剛性部材の長さ方向の歪みに応じた力を検出
する変位センサーにより形成されていることを特徴とす
る請求項4に記載の低剛性力検出装置。 - 【請求項6】上記衝撃吸収手段が両基板間に形成されて
作動流体が封入された圧力チャンバーであり、また力検
出手段が、この圧力チャンバー内の圧力を力として検出
する圧力センサーであることを特徴とする請求項4に記
載の低剛性力検出装置。 - 【請求項7】上記一対の基板が、Z軸方向への相対的な
変位と、X軸及びY軸回りの相対的な変位については自
由度を有しているが、Z軸回りの相対的な変位と、X軸
方向及びY軸方向への相対的な変位は規制されているこ
とを特徴とする請求項4から6までの何れかに記載の低
剛性力検出装置。 - 【請求項8】上記一対の基板のうち一方の基板が、複数
の側辺に、弧状の凹部とこの凹部の内周面の一部に形成
された突条とを有すると共に、他方の基板が、上記凹部
に嵌合して突条に接触する柱状のストッパを有し、これ
らの凹部及び突条とストッパとによって上記基板が、Z
軸回りの相対的な変位とX軸方向及びY軸方向への相対
的な変位を規制されると共に、Z軸方向への相対的な変
位とX軸及びY軸回りの相対的な変位については自由度
を有するように配設されていることを特徴とする請求項
7に記載の低剛性力検出装置。
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