JP2004245717A - Contact pressure sensor and grasp robot - Google Patents

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芳郎 野尻
Yuji Nemoto
裕二 根本
Naomichi Hirama
直道 平間
Nobuyoshi Tsujiuchi
伸好 辻内
Kazumi Koketsu
和美 纐纈
Yotaro Tsuchiya
陽太郎 土屋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately detect three component forces (in X-direction, Y-direction, and Z-direction) from a small force with respect to a contact pressure sensor for detecting a force (pressure) acting on a mounting surface and a grasp robot using a contact pressure sensor for contact pressure detection. <P>SOLUTION: This contact pressure sensor is equipped with a disk-shaped first strain part, second to fifth strain parts extended in plate form from positions at which the periphery of the first strain part is divided into four substantially at equal angles and structured to support the first strain part by serving as legs for the first strain part, first to fourth foot parts severally extended from the second to fifth strain parts to sides different from the first strain part, a diaphragm-shaped first strain gage attached onto a disk surface of the first strain part, and second to fifth strain gages attached severally onto plate surfaces of the second to fifth strain parts. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、装着面に加わっている力(圧力)を検知する触圧センサ、および触圧センサを触圧検知に用いる把持ロボットに係り、特に、精度よく小さな力から3分力(X方向、Y方向、Z方向)を検知するのに適する触圧センサおよびこれを用いる把持ロボットに関する。
【0002】
【従来の技術】
指先に装着できるような触圧センサとしては、例えば、特開平8−323678号公報に記載の「柔軟物体把持装置」に用いられているものがある。このセンサは、微小なON/OFFスイッチを多数設置し接触面積を検出するものである。検出された接触面積と指先の開き量との関係から物体の大きさや柔軟度を認識し、最適な物体把持が行なわれるよう意図する。センサは、基本的に、装着面に垂直な方向(Z方向)の力を検知する。
【0003】
市場に供給されている製品としては、ニッタ株式会社の「BIG−MAT」面圧測定システムがあり、このシステムでは面内の圧力分布を測定するのにセンサシートを用いている。センサシートにより高密度の圧力分布の測定するよう意図されているが、やはりZ方向の圧力分布のみが測定される。
【0004】
特開2002−181640号公報に記載の「力検出装置」では、静電容量型の力検出が示されている。この検出装置では、Z方向の力のほかに、X方向の力をも検出することができる。Z方向の力検出は、ON/OFFスイッチを基本として行なわれ、力検出としては限定的である。
【0005】
特開2000−266620号公報に記載の「力覚センサ」は、3方向の力と3軸まわりのモーメントの計6分力を検出できるように構成されている。構造として、立体十字型の剛体に歪ゲージを取り付けた構成となっている。この構成では、皮膚や指先の面に装着することは不可能であり、また剛体を用いることから精度よく小さな力を検知するには適さないと考えられる。
【0006】
【特許文献1】
特開平8−323678号公報
【特許文献2】
特開2002−181640号公報
【特許文献3】
特開2000−266620号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の状況を考慮してなされたもので、装着面に加わっている力(圧力)を検知する触圧センサ、および触圧センサを触圧検知に用いる把持ロボットにおいて、精度よく小さな力から3分力(X方向、Y方向、Z方向)を検知することが可能な触圧センサおよびこれを用いる把持ロボットを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る触圧センサは、円板状の第1の起歪部と、前記第1の起歪部の周縁をほぼ等角度で4分割する位置より板状に延設され、前記第1の起歪部の脚となって前記第1の起歪部を支持する構造の第2ないし第5の起歪部と、前記第2ないし第5の起歪部それぞれより前記第1の起歪部とは異なる側に延設された第1ないし第4の足部と、前記第1の起歪部の円板面上に着設されたダイアフラム状の第1の歪ゲージと、前記第2ないし第5の起歪部の板面上にそれぞれ着設された第2ないし第5の歪ゲージとを具備することを特徴とする。
【0009】
第1の起歪部に着設された第1の歪ゲージによりZ方向(装着面に垂直の方向)の力(圧力)を検知し、第1の起歪部を支える構造の第2ないし第5の起歪部にそれぞれ着設された第2ないし第5の歪ゲージによりX方向、Y方向(それぞれ、装着面に平行な方向(せん断方向))の力(圧力)を検知する。起歪部それぞれは板状であり曲がりが生じやすいので、小さな力から検知ができる。また、それぞれの方向の力検知に専用の歪ゲージを具備し、例えば互いの干渉を小さくして検知精度の向上を図ることができる。
【0010】
また、本発明に係る触圧センサは、上記の触圧センサがエレメントとしてアレー状に配列されていることを特徴とする。上記の触圧センサは、例えば、板材のプレス・打ち抜きにより微小に製作することが可能であり、したがって、これをアレー状に配列することが容易である。アレー状にすることにより、ある程度の装着面積をカバーする触圧センサとすることができる。これにより、さらに、装着面内での触圧検知を高精度に行なうことが可能になる。
【0011】
また、本発明に係る把持ロボットは、上記のアレー状の触圧センサを触圧検知のため具備することを特徴とする。アレー状の触圧センサは、装着状態で、ある程度の面積を占めまた装着面の丸みに追従して装着され得る。よって、把持ロボットでは、例えばこれを指先に装着することにより、精度よく小さな力から3分力が検知できることとあいまって、好適な触圧検知を行なうことができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様としての触圧センサは、前記第2ないし第5の起歪部の板面の両面それぞれに歪ゲージが着設されるように、前記第2ないし第5の歪ゲージのほかに第6ないし第9の歪ゲージをさらに具備する。第2ないし第5の起歪部の板面の両面それぞれに歪ゲージが着設されると、面の一方が圧縮、他方が引張の出力を示し、感度を向上することができる。よって、なお、精度よく小さな力から3分力を検出することができる。さらに、両面の歪ゲージを組み合わせることで第1の起歪部が検知する力からの干渉を避けることができる。
【0013】
また、実施態様としての触圧センサにおいて、前記第2ないし第5の起歪部が前記第1の起歪部を支持する前記構造における前記第1の起歪部の円板と前記第2ないし第5の起歪部の板との角度は、90度ないし130度である。この角度は、触圧センサとしての高さを小さく抑えるとともに第2ないし第5の起歪部の板面に歪ゲージを着設する面積が確保されるように設計され得る。構造の単純さでは90度が最も普通の角度と言えるが、これよりやや大きな角度にすることにより高さを高くせずに板面面積の確保が容易になる。
【0014】
また、実施態様としての触圧センサは、前記第1の起歪部から前記第2ないし第5の起歪部への延設境界付近に、前記第1の起歪部の円板面積または前記第2ないし第5の起歪部の板面積を狭くするように凹部が形成されている。このような凹部を設けることにより、検知する必要のない方向の歪が第2ないし第5の起歪部の板面に生じる割合を減少させることができる。したがって、検知方向ごとの干渉の少ないより高精度の力検知が可能になる。これにより検出精度も向上される。
【0015】
また、実施態様としての触圧センサは、前記第2ないし第5の起歪部から前記第1ないし第4の足部への延設境界付近に、前記第2ないし第5の起歪部の板面積を狭くするように凹部が形成されている。これも、上記と同旨である。
【0016】
また、実施態様としての触圧センサは、前記エレメントとしての触圧センサそれぞれに配設された歪ゲージそれぞれの端子に電気的配線を供給する配線基板をさらに具備し、前記配線基板は、多層の配線層を有し、配線層ごとに接続される前記エレメントとしての触圧センサが一定である。アレー状の触圧センサのエレメントそれぞれに接続される配線を多層の配線基板により供給するものである。ここで、配線層ごとに接続される触圧センサが一定であるので、多層配線基板の構造を単純化することができる。例えば多層でありながらスルーホールを一切用いない構造のものを用いることができる。
【0017】
以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る触圧センサの模式的な構造を示す図である。図1(a)は斜視図、図1(b)はX方向(X方向の力の方向)を横に見る断面図である。
【0018】
図1に示すように、この触圧センサは、円板状の起歪部1が、その周縁をほぼ4分割する位置から延設された板状の起歪部2a、2b、3a、3bに支持された形状になっている。板状の起歪部2a、2b、3a、3bは、円板状の起歪部1の脚となっており、それぞれ起歪部1側と反対の側には装着面に固定するための足部12a、12b、13a、13bが設けられている。
【0019】
円板状の起歪部1の下面にはダイアフラム状の歪ゲージ8a、8b、8c、8dが着設されており、板状の起歪部2a、2b、3a、3bのそれぞれ両面には、歪ゲージ4a、4b、4c、4d、5a、…(計8つ)が着設されている。ダイヤフラム状の歪ゲージ8a、8b、8c、8dについては、のちに図2を参照してさらに説明する。板状の起歪部2a、2b、3a、3b上の歪ゲージ4a、4b、4c、4d、5a、…は、起歪部1周縁から足部12a、12b、13a、13bに向かう方向の各板における曲げなどの変形に対して歪を検知するように、その方向に長手方向が平行となるように着設される。
【0020】
円板上の起歪部1と各脚たる板状の起歪部2a、2b、3a、3bとの角度は、この実施形態では、105度としている。これは、90度よりやや大きくすることで、触圧センサとしての高さをあまり高くすることなく板状の起歪部2a、2b、3a、3bの面積を確保するためである。なお、さらに鈍角にすると、触圧センサとしての高さが低くはなるが、平面方向に大きくなるので触圧センサとしての配置密度は小さくならざるを得ない。高さに代表される大きさをある程度小さく抑え、配置密度も確保するためには、この角度は、90度から130度程度に設計するのが適切と考えられる。その中でも、100度から110度程度にすれば板状の起歪部2a、2b、3a、3bの大きさの確保に寄与し、これにより歪ゲージ4a、4b、4c、4d、5a、…の取り付けに都合がよい。
【0021】
具体的な寸法は、例えば、高さとして1mmから3mm程度、足部12a、12b、13a、13bを含めたX方向、Y方向の全長として5mmから15mm程度である。起歪部1、2a、2b、3a、3bの板厚は、例えば0.05mmから0.3mm程度、その材質としては、例えばステンレスなどの金属や樹脂など適度の剛性のあるものを用いることができる。金属の場合には、例えば、プレスおよび打ち抜きにより曲げを含めて容易に加工、製作することができる。樹脂の場合には、例えば金型を用いたモールドにより製作することができる。
【0022】
また、図示するように、円板上の起歪部1と板状の起歪部2a、2b、3a、3bとの境界付近には、これらの円板および板の面積を狭くするように凹部6が形成されている(狭くするのは円板、板の一方でもよい。)。また、板状の起歪部2a、2b、3a、3bと足部12a、12b、13a、13bとの境界付近にも、これらの板の面積を狭くするように凹部7が形成されている。これらの凹部6、7は、板状の起歪部2a、2b、3a、3bに発生する歪であって歪ゲージ4a、4b、4c、4d、5a、…に検知されるものをできるだけ大きくするため設けられたものである。
【0023】
すなわち、例えばX方向の力に対しては、起歪部2a、2bが曲がりやすい方が感度よい圧力検出に好ましい。しかしX方向の力に対しては、起歪部3a、3b面の法線まわりの曲げ応力が起歪部3a、3bに発生するのでかなりの高剛性となる。そこで、上記のように凹部6、7を設けると、起歪部3a、3b面の法線まわりの曲げ応力が集中して曲がりやすく(X方向に変形しやすく)なる。Y方向で考えても同様である。これらにより、より小さな力でも検知できるようになる。
【0024】
なお、図1では図示省略しているが、円板状の起歪部1の上面には例えばウレタンゴムのような弾性のある素材を接着し加重緩衝の機能を得るようにしてもよい。
【0025】
図2は、円板状の起歪部1の下面に着設されたダイヤフラム状の歪ゲージ8a、8b、8c、8dの構成を模式的に拡大して示す図である。図2において、図1に示した構成要素と対応する部位には同一番号を付してある。
【0026】
図2に示すように、歪ゲージ8a、8b、8c、8dは、全体として円状のシート20上に設けられている。歪ゲージ8a、8b、8c、8dを構成する線の配置は、接続パッド21から、シート20の半径方向に長手方向が配設された歪ゲージ8aを経て接続パッド22に至り、さらに接続パッド22から、シート20の円周方向に長手方向が配設された歪ゲージ8dを経て接続パッド23に至り、さらに接続パッド23から、シ−ト20の半径方向に長手方向が配設された歪ゲ−ジ8bを経て接続パッド24に至り、さらに接続パッド24からシ−ト20の円周方向に長手方向が配設された歪ゲ−ジ8cを経て接続パッド25に至っている。
【0027】
シート20の半径方向に長手方向が配設された歪ゲージ8a、8bは、シート20上で対向するようにシート20の周縁に近い側に設けられる。シート20の円周方向に長手方向が配設された歪ゲージ8c、8dは、互いに対向するようにシート20の中心に近い側に設けられる。
【0028】
周縁側の歪ゲージ8a、8bと中心側の歪ゲージ8c、8dとは、起歪部1の変形により互いに反対の歪(すなわち圧縮歪と引張歪)を検知するものである。これについては次述する。なお、図示するように、以後、一方の周縁側歪ゲージ8aの抵抗値をZ1aで、他方の周縁側歪ゲージ8bの抵抗値をZ1bで、一方の中心側歪ゲージ8cの抵抗値をZ2aで、他方の中心側歪ゲージ8dの抵抗値をZ2bで、それぞれ表わす。
【0029】
図3は、図1に示した触圧センサがZ方向の力を検知する原理を説明する図である。図3において、すでに説明した図の中の構成要素に対応するものには同一符合を付してある。
【0030】
図3(a)に示すように、Z方向の力Fzが触圧センサに印加されるとダイアフラム状の歪ゲージ8a、8b、8c、8dに歪に応じた変化が発生する。すなわち、中心側歪ゲージ8c、8dは引張に応じた変化であり、周縁側歪ゲージ8a、8bは圧縮に応じた変化である。周縁側歪ゲージ8a、8bが圧縮に応じた変化をするのは、中心側歪ゲージ8c、8dと周縁側歪ゲージ8a、8bとの間に中立となる位置が存在するためである。この中立点より中心側では、起歪部1が下に凸に曲がり、中立点より周縁側では、起歪部1が上に凸に曲がる。
【0031】
歪ゲージ8a、8b、8c、8dは、図3(b)に示すように、ブリッジを構成するように接続される。ブリッジの入力端子対34、35から入力電圧(電流でもよい)が印加され、出力端子対21、23間に出力を得る。歪ゲージ8a、8b、8c、8dに何ら変化のないときに、ブリッジ回路の平衡条件:Z1a・Z1b=Z2a・Z2b(=対向する要素間のインピーダンス積が同一)が満たされるように歪ゲ−ジ8a、8b、8c、8dの抵抗を調整しておくと、歪ゲージ8a、8b、8c、8dが抵抗変化したときに平衡がくずれる。
【0032】
上記のように、中心側歪ゲージ8c、8dは引張に応じて抵抗が増加し、周縁側歪ゲージ8a、8bは圧縮に応じて抵抗が減少する。したがって、起歪部1がZ方向の力を検知すると接続パッド21と端子23との間に電圧が生じる。この電圧(またはこの電圧による電流)の検出によりZ方向の力が検知できる。この力の検知は、起歪部1の弾性限界内ではFzによく比例する。
【0033】
図3(c)は、Z方向の力Fzが印加されたときに生じる、X方向の力を検知するための歪ゲージ4a、4b、4c、4dの変化を説明する図である(なお、この説明はY方向の力を検知するための歪ゲージ5a、…についても同様である)。
【0034】
Z方向の力Fzが印加されると、歪ゲージ4a、4b、4c、4dが取り付けられている起歪部2a、2bについても歪が発生する。この歪は、図3(a)に示す構造からわかるように、外側の歪ゲージ4a、4dは引張、内側の歪ゲージ4b、4cは圧縮となるような歪である。
【0035】
ここで、歪ゲージ4a、4b、4c、4dは、図3(c)に示すように、ブリッジを構成するように接続されている。すなわち、対向する起歪部2a、2bの一方の内側に取り付けられた歪ゲージ4bと他方の外側に取り付けられた歪ゲージ4dとが一方の対向するブリッジの要素になり、一方の外側に取り付けられた歪ゲージ4aと他方の内側に取り付けられた歪ゲージ4cとが他方の対向するブリッジの要素になる接続である。そして、このブリッジの入力端子対44、45から入力を加え、出力端子対42、43間に出力を得る。
【0036】
このようなブリッジの構成では、上記のような歪により、歪ゲージ4bの抵抗X1が減少、歪ゲージ4aの抵抗X1*が増加、歪ゲージ4cの抵抗X2が減少、歪ゲージ4dの抵抗X2*が増加となり、ブリッジ回路の平衡条件:X1・X2*=X2・X1*は保持されたままになる。この意味で、Fz検知からFx検知(Fy検知)への干渉が大きく軽減される。この実施形態の大きな利点である。
【0037】
図4は、図1に示した触圧センサがX方向の力を検知する原理を説明する図である。図4において、すでに説明した図の中の構成要素に対応するものには同一符合を付してある。(なお、この図4の説明は、Y方向の力を検知する原理を説明する場合も同様である。)
【0038】
図4(a)に示すように、X方向の力Fxが触圧センサに印加されると、対向する起歪部2a、2bに取り付けられた歪ゲージ4a、4b、4c、4dに歪に応じた変化が発生する。すなわち、図示するように、力Fxの出力方向側における起歪部2aの外側の歪ゲージ4aおよび入力方向側における起歪部2bの内側の歪ゲージ4cは圧縮に応じた変化であり、力Fxの出力方向側における起歪部2aの内側の歪ゲージ4bおよび入力方向側における起歪部2bの外側の歪ゲージ4dは引張に応じた変化である。
【0039】
歪ゲージ4a、4b、4c、4dは、すでに説明したように、図4(b)に示すように、ブリッジ構成の接続がされている。よって、上記の変化により、歪ゲージ4bの抵抗X1が増加、歪ゲージ4aの抵抗X1*が減少、歪ゲージ4cの抵抗X2が減少、歪ゲージ4dの抵抗X2*が増加となり、ブリッジ回路の平衡条件:X1・X2*=X2・X1*がくずれる。よって、出力端子対42、43間に電圧が発生する。この電圧(またはこの電圧による電流)の検出によりX方向の力が検知できる。この力の検知は、起歪部2a、2bの弾性限界内ではFxによく比例する。
【0040】
図4(c)は、X方向の力Fxが印加されたときに生じる、Z方向の力を検知するための歪ゲージ8a、8b、8c、8dの変化を説明する図である。X方向の力Fxが印加されても、図4(a)に示すように、歪ゲージ8a、8b、8c、8dが取り付けられている起歪部1については歪がほとんど発生しない。
【0041】
したがって、すでに説明したZ方向の力を検知するブリッジ回路は、図4(c)に示すように、歪ゲージ8a、8b、8c、8dに抵抗変化がほとんどないため、ブリッジ回路の平衡が保たれる。すなわち、Fx検知(またはFy検知)からFz検知への干渉はほとんどないことになる。
【0042】
以上説明したように、この実施形態では、起歪部1、2a、2b、3a、3bを板状にし、起歪部同士または他の部位との境界付近に凹部を設け、脚となる起歪部2a、2b、3a、3bの両面に歪ゲージ4a、4b、4c、4d、5a、…(計8つ)を取り付けこれらを2つのブリッジ回路として接続した。これらにより、相互干渉を大きく軽減して精度よく小さな力から3分力(X方向、Y方向、Z方向)を検知することができる。
【0043】
なお、図4(a)に示したブリッジ接続の構成は、以下のようなブリッジ構成に変えてもよい。すなわち、図4(a)の4aの位置に4aおよび4c(つまりX2+X1*を配置)を、図4(a)の4dの位置に4dおよび4b(つまりX1+X2*を配置)を、それぞれ接続し、残る4b、4cの位置には外付けの固定抵抗を接続してなるブリッジである。このようにしても同様な検知感度が得られ、かつ図3(c)において説明した、Z方向の力Fzからの干渉を避ける効果がある。
【0044】
【実施例1】
以下では実施例について説明する。実施例1として、0.1mm厚の金属板を十字形にプレスで打ちぬき、中央平面部を残したまま折り曲げ加工して図1に示すような触圧センサを作った。触圧センサの高さは1.6mmとした。
【0045】
歪ゲージ4a、4b、4c、4d(5a、…)によるブリッジ回路への入力電圧を5Vとした。また、歪ゲージ4a、4b、4c、4d(5a、…)それぞれの名目抵抗値は350Ωである。この触圧センサの4つの足部12a、12b、13a、13bの底面を装着面に固定しX方向にFx=250gの力を加えた。評価項目は、ブリッジ回路の出力電圧、Fx検知とFy検知との干渉、Fx検知のリニアリティ(直線性)の3点である。
【0046】
得られた結果として、ブリッジ回路の出力電圧は1.7mVないし1.8mV、Fx検知とFy検知との干渉は20%以内、リニアリティは±1%以内であった。この結果は、以下説明する他の実施例より、ブリッジ回路の出力電圧は、比較的大きく検出され、Fx検知とFy検知との干渉およびリニアリティは、比較的小さい。
【0047】
【実施例2】
実施例2では、歪ゲ−ジを起歪部2a、2b、3a、3bの片面のみに張り付け(外側の歪ゲージ4a、4d、5a、…のみにする)、その他の構造は実施例1と同じ構造のものとした。この構造を図5に示す。図5は、本発明の別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図であり、すでに説明した構成要素と同一のものには同一符合を付してある。
【0048】
歪ゲージ4a、4dによるブリッジ回路は、図4(b)に示すブリッジ回路において、歪ゲージ4b、4cに対応する要素を外付けの固定抵抗に代える。このときに、実施例1と同様にX方向にFx=250gの力を加えた。得られた結果として、ブリッジ回路の出力電圧は0.85mVないし0.9mV、Fx検知とFy検知との干渉は20%以内、リニアリティは±1%以内であった。歪ゲージが起歪部2a、2b、3a、3bの片面のみに取り付けられているので出力が減少し検知感度が約半分になっている。
【0049】
【実施例3】
実施例3では、起歪部1と4つの脚である起歪部2a、2b、3a、3bとの境界付近、および起歪部2a、2b、3a、3bと足部12a、12b、13a、13bとの境界付近に凹部を設けないようにした。その他は実施例1と同じ構成である。この構造を図6に示す。図6は、本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図であり、すでに説明した構成要素と同一のものには同一符合を付してある。
【0050】
実施例1と同様にX方向にFx=250gの力を加えた。得られた結果として、ブリッジ回路の出力電圧は0.5mVないし0.55mV、Fx検知とFy検知との干渉は30%以内、リニアリティは±2%以内であった。凹部がない分、起歪部2a、2b、3a、3bの剛性が増加しており、変形しにくいので歪に対応する出力値は小さい値になっている。また、Fx検知とFy検知との干渉、リニアリティも上記の実施例よりは劣る。
【0051】
次に、本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサについて図7を参照して説明する。図7は、本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図である。図7(a)は上面図、図7(b)は正面図である。
【0052】
この実施形態に係る触圧センサ70は、図1に示した触圧センサをアレー状に配列させて装着面上の力の分布を検知可能にしたものである。例えば、指先面等に装着して接着等で固定し指先面全体に加えられる3分力を分力ごとに積算して、全3分力を求めることができる。図7に示すように、この触圧センサ70は、各触圧センサの足部が十字状になって隣りの触圧センサにつながっており、この場合には全体として4×3の計12個のアレーとなっている。このようなアレー構成についても、例えば、一枚の板材のプレスと打ち抜きで製作することができる。
【0053】
具体的な寸法は、例えば横方向Aが10mmないし30mm程度(より具体的には例えば15mm)、縦方向Bが15mmないし45mm程度(より具体的には例えば20mm)である。また、高さHは例えば1mmないし3mm程度(より具体的には例えば1.6mm)である。
【0054】
また、縦方向の各列を構成する触圧センサの下側には、円板上の起歪部1の凸形状にはまり込むようにリボン状の配線基板71a、71b、71cがそれぞれ伴なわれている。配線基板71a、71b、71cは、エレメントとしての触圧センサに取り付けられた歪ゲージに電気的配線を供給する。歪ゲージと配線基板71a等とはリード線を用い例えばはんだで接続されるが、ここでは図示省略している。
【0055】
図8は、配線基板71a(71b、71c)の構造を示す図である。図8(a)は上面図、図8(b)は側面図である。図8に示すように、この配線基板は一種の多層配線板であり、絶縁層91、92、93、94、…と配線層81、82、83、…とが交互に積層された構造である。絶縁層91、92、93、94、…は例えばポリイミドのようなフレキシブルな絶縁材料であり、配線層81、82、83、…は例えば銅のような導電材料である。配線層81、…の数は、図7(a)に示す縦方向のエレメントの数に一致させる。
【0056】
図8において、最も下側の配線層81は最も先端側(図で上側)で露出し、以下配線層として上側のものになるほど先端側より離れた各位置で露出するようになっている。露出部分が各歪ゲージとの接続端になる。このような配線基板71aの構成によれば、各エレメントとしての触圧センサに装着された歪ゲージ4a、4b、4c、4d、5a、…、8a〜8dについての配線を、各エレメントごとにひとつの配線層により担当させることができる。配線基板として非常に単純な構造になり、多層基板でありながらスルーホールのような構造を必要とせず廉価なものにすることができる。
【0057】
図9は、図8に示したアレー状の触圧センサ70を把持ロボットの指部分100の指先に装着したときの構成を示す図である。図9(a)は側面図、図9(b)は正面図であり、図8、図9に示した構成要素と対応するものには同一符合を付してある。
【0058】
図9に示すように、アレー状の触圧センサ70は、人の指先のような微小な曲面を有する面上にも追従して装着することができる。したがって、各種の把持ロボットとしての触圧検知に適している。把持ロボットは、今後、産業用のみならず洗濯機、自動販売機、調理器など種々の分野で応用されることが期待される。
【0059】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明よれば、第1の起歪部に着設された第1の歪ゲージによりZ方向(装着面に垂直の方向)の力(圧力)が検知され、第1の起歪部を支える構造の第2ないし第5の起歪部にそれぞれ着設された第2ないし第5の歪ゲージによりX方向、Y方向(それぞれ、装着面に平行な方向(せん断方向))の力(圧力)が検知される。起歪部それぞれは板状であり曲がりが生じやすいので、小さな力から検知ができる。また、それぞれの方向の力検知に専用の歪ゲージを具備し、例えば互いの干渉を小さくして検知精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る触圧センサの模式的な構造を示す図。
【図2】図1中における円板状の起歪部1の下面に着設されたダイヤフラム状の歪ゲージ8a、8b、8c、8dの構成を模式的に拡大して示す図。
【図3】図1に示した触圧センサがZ方向の力を検知する原理を説明する図。
【図4】図1に示した触圧センサがX方向の力を検知する原理を説明する図。
【図5】本発明の別の実施形態に係る触圧センサを模式的に示す図。
【図6】本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサを模式的に示す図。
【図7】本発明のさらに別の実施形態に係る触圧センサの構造を模式的に示す図。
【図8】図7中に示した配線基板71a(71b、71c)の構造を示す図。
【図9】図8に示したアレー状の触圧センサ70を把持ロボットの指部分100の指先に装着したときの構成を示す図。
【符号の説明】
1…円板状の起歪部 2a、2b、3a、3b…板状の起歪部 4a、4b、4c、4d、5a、……歪ゲージ 6、7…凹部 8a、8b…周縁側の歪ゲージ 8c、8d…中心側の歪ゲージ 12a、12b、13a、13b…足部 20…ダイアフラム状の歪ゲージのシート 21、22、23、24…接続パッド 34、35…ブリッジの入力端子 42、43…ブリッジの出力端子 44、45…ブリッジの入力端子 70…触圧センサ 71a、71b、71c…配線基板 81、82、83…配線層 91、92、93、94…絶縁層 100…把持ロボットの指部分
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a tactile pressure sensor that detects a force (pressure) applied to a mounting surface, and a gripping robot that uses the tactile pressure sensor for tactile pressure detection. In particular, the present invention relates to a three-component force (X direction, The present invention relates to a tactile pressure sensor suitable for detecting (Y direction, Z direction) and a gripping robot using the same.
[0002]
[Prior art]
As a tactile pressure sensor that can be attached to a fingertip, for example, there is one used in a “flexible object gripping device” described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-323678. This sensor detects a contact area by installing a large number of minute ON / OFF switches. The size and flexibility of the object are recognized from the relationship between the detected contact area and the opening amount of the fingertip, and it is intended that optimal object grasping is performed. The sensor basically detects a force in a direction (Z direction) perpendicular to the mounting surface.
[0003]
As a product supplied to the market, there is a “BIG-MAT” surface pressure measuring system manufactured by Nitta Corporation, which uses a sensor sheet to measure the in-plane pressure distribution. Although it is intended to measure a high density pressure distribution with the sensor sheet, again only the pressure distribution in the Z direction is measured.
[0004]
In the “force detection device” described in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-181640, electrostatic force type force detection is shown. In this detection device, in addition to the Z-direction force, the X-direction force can also be detected. Force detection in the Z direction is performed based on an ON / OFF switch, and is limited as force detection.
[0005]
The “force sensor” described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-266620 is configured to detect a total of six component forces including a force in three directions and a moment about three axes. As a structure, a strain gauge is attached to a three-dimensional cross-shaped rigid body. In this configuration, it is impossible to attach to the surface of the skin or the fingertip, and it is considered that it is not suitable for detecting a small force with high accuracy because a rigid body is used.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-8-323678
[Patent Document 2]
JP 2002-181640 A
[Patent Document 3]
JP 2000-266620 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in consideration of the above-described situation. In a tactile pressure sensor that detects a force (pressure) applied to a mounting surface and a gripping robot that uses the tactile pressure sensor for tactile pressure detection, the present invention is small and accurate. An object of the present invention is to provide a tactile pressure sensor capable of detecting a three-component force (X direction, Y direction, Z direction) from a force and a gripping robot using the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the tactile pressure sensor according to the present invention has a plate-like first strain-generating portion and a plate-like shape from a position where the periphery of the first strain-generating portion is divided into four at substantially equal angles. The second to fifth strain-generating portions, which extend to the first strain-generating portion and support the first strain-generating portion as a leg of the first strain-generating portion, and the second to fifth strain-generating portions. First to fourth legs extending from the respective sides different from the first strain-generating portion, and a diaphragm-shaped first attached to the disk surface of the first strain-generating portion. And the second to fifth strain gauges mounted on the plate surfaces of the second to fifth strain-generating portions, respectively.
[0009]
A second to second structure in which a force (pressure) in the Z direction (a direction perpendicular to the mounting surface) is detected by a first strain gauge attached to the first strain-generating portion and supports the first strain-generating portion. Forces (pressures) in the X direction and the Y direction (each in a direction parallel to the mounting surface (shear direction)) are detected by second to fifth strain gauges respectively attached to the five strain generating portions. Since each of the strain generating portions is plate-shaped and easily bent, detection can be performed from a small force. In addition, a strain gauge dedicated to force detection in each direction is provided, and for example, mutual interference can be reduced to improve detection accuracy.
[0010]
The contact pressure sensor according to the present invention is characterized in that the contact pressure sensors are arranged in an array as elements. The above-mentioned contact pressure sensor can be manufactured minutely, for example, by pressing and punching a plate material, and therefore it is easy to arrange them in an array. By making an array, it is possible to provide a tactile pressure sensor that covers a certain mounting area. Thereby, it becomes possible to detect the contact pressure in the mounting surface with high accuracy.
[0011]
A gripping robot according to the present invention includes the above-described array-shaped contact pressure sensor for detecting contact pressure. The array-shaped tactile pressure sensor occupies a certain area in the mounted state and can be mounted following the roundness of the mounting surface. Therefore, in the gripping robot, for example, by attaching this to the fingertip, it is possible to detect a suitable tactile pressure in combination with the ability to detect a three-component force from a small force with high accuracy.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In addition to the second to fifth strain gauges, the tactile pressure sensor as an embodiment of the present invention is arranged so that strain gauges are respectively attached to both surfaces of the plate surfaces of the second to fifth strain generating portions. Further comprise sixth to ninth strain gauges. When strain gauges are attached to both surfaces of the plate surfaces of the second to fifth strain generating portions, one of the surfaces shows an output of compression and the other shows an output of tension, and the sensitivity can be improved. Therefore, it is possible to accurately detect the three component forces from a small force. Further, by combining the strain gauges on both sides, interference from the force detected by the first strain generating portion can be avoided.
[0013]
In the tactile pressure sensor according to the embodiment, the second to fifth strain-generating portions support the first strain-generating portion. The angle of the fifth strain generating part with the plate is 90 to 130 degrees. This angle can be designed such that the height of the contact pressure sensor is kept small and an area for mounting the strain gauge on the plate surface of the second to fifth strain generating portions is secured. In terms of the simplicity of the structure, 90 degrees can be said to be the most common angle, but by making the angle slightly larger than this, it is easy to ensure the plate surface area without increasing the height.
[0014]
Further, the contact pressure sensor as an embodiment includes a disk area of the first strain-generating portion in the vicinity of an extended boundary from the first strain-generating portion to the second to fifth strain-generating portions, or the A concave portion is formed so as to narrow the plate area of the second to fifth strain generating portions. By providing such a recess, it is possible to reduce the rate at which strain in a direction that does not need to be detected occurs on the plate surface of the second to fifth strain generating portions. Therefore, more accurate force detection with less interference in each detection direction is possible. Thereby, detection accuracy is also improved.
[0015]
Further, the contact pressure sensor as an embodiment includes the second to fifth strain generating portions in the vicinity of an extending boundary from the second to fifth strain generating portions to the first to fourth foot portions. A recess is formed to reduce the plate area. This is also the same as the above.
[0016]
The contact pressure sensor as an embodiment further includes a wiring board that supplies electrical wiring to terminals of the strain gauges disposed in the contact pressure sensor as the element, and the wiring board is formed of a multi-layered structure. A tactile pressure sensor as the element having a wiring layer and connected to each wiring layer is constant. Wiring connected to each element of the array-shaped contact pressure sensor is supplied by a multilayer wiring board. Here, since the tactile pressure sensor connected to each wiring layer is constant, the structure of the multilayer wiring board can be simplified. For example, a multilayer structure that does not use any through holes can be used.
[0017]
Based on the above, embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic structure of a contact pressure sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a perspective view, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the X direction (direction of force in the X direction) as seen sideways.
[0018]
As shown in FIG. 1, this tactile pressure sensor has a plate-like strain generating portion 1 formed on plate-like strain generating portions 2a, 2b, 3a, 3b extending from a position where the periphery thereof is divided into almost four parts. It has a supported shape. The plate-shaped strain generating portions 2a, 2b, 3a, 3b are legs of the disk-shaped strain generating portion 1, and feet for fixing to the mounting surface on the side opposite to the strain generating portion 1 side, respectively. Portions 12a, 12b, 13a, and 13b are provided.
[0019]
Diaphragm-shaped strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d are attached to the lower surface of the disc-shaped strain generating portion 1, and on both surfaces of the plate-shaped strain generating portions 2a, 2b, 3a, and 3b, Strain gauges 4a, 4b, 4c, 4d, 5a,... (Total 8) are provided. The diaphragm-shaped strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d will be further described later with reference to FIG. The strain gauges 4a, 4b, 4c, 4d, 5a,... On the plate-like strain generating portions 2a, 2b, 3a, 3b are each in the direction from the periphery of the strain generating portion 1 to the feet 12a, 12b, 13a, 13b. In order to detect strain against deformation such as bending in the plate, it is installed so that its longitudinal direction is parallel to that direction.
[0020]
In this embodiment, the angle between the strain-generating portion 1 on the disc and the plate-like strain-generating portions 2a, 2b, 3a, and 3b, which are the legs, is 105 degrees. This is because the area of the plate-like strain generating portions 2a, 2b, 3a, and 3b is ensured by making it slightly larger than 90 degrees without making the height of the contact pressure sensor so high. If the obtuse angle is further reduced, the height as the tactile pressure sensor is reduced, but the height is increased in the plane direction, so the arrangement density as the tactile pressure sensor has to be reduced. In order to suppress the size typified by the height to some extent and to secure the arrangement density, it is considered appropriate to design this angle from 90 degrees to 130 degrees. Among these, if it is set to about 100 to 110 degrees, it contributes to securing the size of the plate-like strain generating portions 2a, 2b, 3a, 3b, and thereby the strain gauges 4a, 4b, 4c, 4d, 5a,. Convenient for installation.
[0021]
Specific dimensions are, for example, about 1 mm to 3 mm in height, and about 5 mm to 15 mm in total length in the X direction and Y direction including the feet 12a, 12b, 13a, and 13b. The plate thickness of the strain generating portions 1, 2a, 2b, 3a, 3b is, for example, about 0.05 mm to 0.3 mm, and as the material thereof, a material having moderate rigidity such as a metal such as stainless steel or a resin is used. it can. In the case of metal, for example, it can be easily processed and manufactured including bending by pressing and punching. In the case of resin, it can be manufactured by a mold using a mold, for example.
[0022]
Further, as shown in the figure, in the vicinity of the boundary between the strain-generating portion 1 on the disc and the plate-like strain-generating portions 2a, 2b, 3a, 3b, a recess is formed so as to reduce the area of these discs and plates. 6 is formed (one of the circular plate and the plate may be narrowed). A recess 7 is also formed near the boundary between the plate-like strain generating portions 2a, 2b, 3a and 3b and the foot portions 12a, 12b, 13a and 13b so as to reduce the area of these plates. These concave portions 6 and 7 are strains generated in the plate-like strain generating portions 2a, 2b, 3a, and 3b, and are increased as much as possible by the strain gauges 4a, 4b, 4c, 4d, 5a,. Therefore, it is provided.
[0023]
That is, for example, for the force in the X direction, the bending of the strain generating portions 2a and 2b is preferable for sensitive pressure detection. However, with respect to the force in the X direction, bending stress around the normal lines of the strain generating portions 3a and 3b is generated in the strain generating portions 3a and 3b, so that the rigidity becomes considerably high. Therefore, when the concave portions 6 and 7 are provided as described above, bending stress around the normal lines of the strain-generating portions 3a and 3b is concentrated, so that it is easy to bend (easily deform in the X direction). The same applies to the Y direction. As a result, it is possible to detect even with a smaller force.
[0024]
Although not shown in FIG. 1, an elastic material such as urethane rubber may be bonded to the upper surface of the disk-shaped strain generating portion 1 to obtain a function of weight buffering.
[0025]
FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of the diaphragm-shaped strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d attached to the lower surface of the disc-shaped strain generating portion 1. As shown in FIG. In FIG. 2, the parts corresponding to the components shown in FIG.
[0026]
As shown in FIG. 2, the strain gauges 8a, 8b, 8c, 8d are provided on a circular sheet 20 as a whole. The lines constituting the strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d are arranged from the connection pad 21 to the connection pad 22 through the strain gauge 8a having a longitudinal direction in the radial direction of the sheet 20, and further to the connection pad 22. To the connection pad 23 through a strain gauge 8d having a longitudinal direction arranged in the circumferential direction of the sheet 20, and further from the connection pad 23 to a strain gauge having a longitudinal direction arranged in the radial direction of the sheet 20. -It leads to the connection pad 24 through the gauge 8b, and further to the connection pad 25 from the connection pad 24 through the strain gauge 8c in which the longitudinal direction is arranged in the circumferential direction of the sheet 20.
[0027]
The strain gauges 8 a and 8 b, whose longitudinal directions are arranged in the radial direction of the sheet 20, are provided on the side close to the periphery of the sheet 20 so as to face each other on the sheet 20. The strain gauges 8c and 8d whose longitudinal direction is arranged in the circumferential direction of the sheet 20 are provided on the side close to the center of the sheet 20 so as to face each other.
[0028]
The strain gauges 8a and 8b on the peripheral side and the strain gauges 8c and 8d on the center side detect opposite strains (that is, compressive strain and tensile strain) by deformation of the strain generating portion 1. This will be described below. As shown in the figure, hereinafter, the resistance value of one peripheral strain gauge 8a is Z1a, the resistance value of the other peripheral strain gauge 8b is Z1b, and the resistance value of one central strain gauge 8c is Z2a. The resistance value of the other central strain gauge 8d is represented by Z2b.
[0029]
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle by which the tactile pressure sensor shown in FIG. 1 detects a force in the Z direction. In FIG. 3, the same reference numerals are given to the components corresponding to the constituent elements in the drawings already described.
[0030]
As shown in FIG. 3A, when a force Fz in the Z direction is applied to the contact pressure sensor, changes in the diaphragm-like strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d according to the strain occur. That is, the center side strain gauges 8c and 8d are changes according to tension, and the peripheral side strain gauges 8a and 8b are changes according to compression. The reason why the peripheral strain gauges 8a and 8b change according to the compression is that there is a neutral position between the central strain gauges 8c and 8d and the peripheral strain gauges 8a and 8b. At the center side from the neutral point, the strain-generating part 1 bends downwardly, and at the peripheral side from the neutral point, the strain-generating part 1 bends upwardly.
[0031]
As shown in FIG. 3B, the strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d are connected to form a bridge. An input voltage (or current) is applied from the input terminal pair 34 and 35 of the bridge, and an output is obtained between the output terminal pair 21 and 23. When there is no change in the strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d, the strain gauge is satisfied so that the equilibrium condition of the bridge circuit: Z1a · Z1b = Z2a · Z2b (= impedance product between opposing elements is the same) is satisfied. If the resistances of the screws 8a, 8b, 8c, and 8d are adjusted, the equilibrium is lost when the resistance of the strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d changes.
[0032]
As described above, the resistances of the center side strain gauges 8c and 8d increase according to tension, and the resistances of the peripheral side strain gauges 8a and 8b decrease according to compression. Therefore, when the strain generating portion 1 detects a force in the Z direction, a voltage is generated between the connection pad 21 and the terminal 23. The force in the Z direction can be detected by detecting this voltage (or current by this voltage). The detection of this force is well proportional to Fz within the elastic limit of the strain generating portion 1.
[0033]
FIG. 3C is a diagram for explaining changes in the strain gauges 4a, 4b, 4c, and 4d for detecting the force in the X direction that occurs when the force Fz in the Z direction is applied (this is the case). The same applies to the strain gauges 5a for detecting the force in the Y direction).
[0034]
When the force Fz in the Z direction is applied, strain is also generated in the strain generating portions 2a and 2b to which the strain gauges 4a, 4b, 4c and 4d are attached. As can be seen from the structure shown in FIG. 3A, the strains are strains in which the outer strain gauges 4a and 4d are tensile and the inner strain gauges 4b and 4c are compressed.
[0035]
Here, as shown in FIG. 3C, the strain gauges 4a, 4b, 4c, and 4d are connected to form a bridge. That is, the strain gauge 4b attached to one inner side of the opposing strain generating portions 2a and 2b and the strain gauge 4d attached to the other outer side serve as elements of one opposing bridge, and are attached to one outer side. The strain gage 4a and the strain gage 4c attached to the other inner side serve as elements of the other opposing bridge. Then, an input is applied from the input terminal pair 44 and 45 of this bridge, and an output is obtained between the output terminal pair 42 and 43.
[0036]
In such a bridge configuration, due to the strain described above, the resistance X1 of the strain gauge 4b decreases, the resistance X1 * of the strain gauge 4a increases, the resistance X2 of the strain gauge 4c decreases, and the resistance X2 * of the strain gauge 4d. And the balanced condition of the bridge circuit: X1 · X2 * = X2 · X1 * remains held. In this sense, interference from Fz detection to Fx detection (Fy detection) is greatly reduced. This is a great advantage of this embodiment.
[0037]
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle by which the tactile pressure sensor shown in FIG. 1 detects a force in the X direction. In FIG. 4, the same reference numerals are given to the components corresponding to the constituent elements in the drawings already described. (The description of FIG. 4 is the same when the principle of detecting the force in the Y direction is described.)
[0038]
As shown in FIG. 4A, when a force Fx in the X direction is applied to the tactile pressure sensor, the strain gauges 4a, 4b, 4c, and 4d attached to the opposing strain-generating portions 2a and 2b respond to the strain. Changes occur. That is, as shown in the figure, the strain gauge 4a outside the strain generating portion 2a on the output direction side of the force Fx and the strain gauge 4c inside the strain generating portion 2b on the input direction side are changes according to compression, and the force Fx The strain gauge 4b inside the strain generating portion 2a on the output direction side and the strain gauge 4d outside the strain generating portion 2b on the input direction side are changes according to tension.
[0039]
As already described, the strain gauges 4a, 4b, 4c, and 4d are connected in a bridge configuration as shown in FIG. Therefore, due to the above change, the resistance X1 of the strain gauge 4b increases, the resistance X1 * of the strain gauge 4a decreases, the resistance X2 of the strain gauge 4c decreases, and the resistance X2 * of the strain gauge 4d increases, thereby balancing the bridge circuit. Condition: X1 · X2 * = X2 · X1 * is broken. Therefore, a voltage is generated between the output terminal pair 42 and 43. The force in the X direction can be detected by detecting this voltage (or current by this voltage). The detection of this force is well proportional to Fx within the elastic limit of the strain generating portions 2a, 2b.
[0040]
FIG. 4C is a diagram for explaining changes in the strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d for detecting the force in the Z direction, which is generated when the force Fx in the X direction is applied. Even when the force Fx in the X direction is applied, as shown in FIG. 4A, almost no strain is generated in the strain generating portion 1 to which the strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d are attached.
[0041]
Therefore, the bridge circuit for detecting the force in the Z direction described above maintains the balance of the bridge circuit because there is almost no resistance change in the strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d as shown in FIG. 4 (c). It is. That is, there is almost no interference from Fx detection (or Fy detection) to Fz detection.
[0042]
As described above, in this embodiment, the strain-generating portions 1, 2 a, 2 b, 3 a, and 3 b are formed in a plate shape, and a recess is provided in the vicinity of the boundary between the strain-generating portions or other parts, so that the strain becomes a leg. Strain gauges 4a, 4b, 4c, 4d, 5a,... (Total 8) are attached to both surfaces of the parts 2a, 2b, 3a, 3b, and these are connected as two bridge circuits. As a result, the mutual interference can be greatly reduced, and the three component forces (X direction, Y direction, Z direction) can be accurately detected from a small force.
[0043]
Note that the bridge connection configuration shown in FIG. 4A may be changed to the following bridge configuration. That is, 4a and 4c (that is, X2 + X1 * is arranged) at the position 4a in FIG. 4A, 4d and 4b (that is, X1 + X2 * is arranged) at the position 4d in FIG. The remaining 4b and 4c are bridges formed by connecting external fixed resistors. Even if it does in this way, the same detection sensitivity is obtained and there exists an effect which avoids the interference from the force Fz of Z direction demonstrated in FIG.3 (c).
[0044]
[Example 1]
Examples will be described below. As Example 1, a 0.1 mm-thick metal plate was punched into a cross shape with a press, and was bent while leaving the central plane portion, to produce a contact pressure sensor as shown in FIG. The height of the contact pressure sensor was 1.6 mm.
[0045]
The input voltage to the bridge circuit by the strain gauges 4a, 4b, 4c, 4d (5a,...) Was 5V. The nominal resistance value of each of the strain gauges 4a, 4b, 4c, 4d (5a,...) Is 350Ω. The bottom surfaces of the four feet 12a, 12b, 13a, and 13b of the contact pressure sensor were fixed to the mounting surface, and a force of Fx = 250 g was applied in the X direction. The evaluation items are three points: output voltage of the bridge circuit, interference between Fx detection and Fy detection, and linearity (linearity) of Fx detection.
[0046]
As a result, the output voltage of the bridge circuit was 1.7 mV to 1.8 mV, the interference between Fx detection and Fy detection was within 20%, and the linearity was within ± 1%. As a result, the output voltage of the bridge circuit is detected to be relatively large, and the interference and linearity between the Fx detection and the Fy detection are relatively small as compared with other embodiments described below.
[0047]
[Example 2]
In the second embodiment, the strain gauge is attached to only one side of the strain generating portions 2a, 2b, 3a, 3b (only the outer strain gauges 4a, 4d, 5a,...), And the other structures are the same as in the first embodiment. The structure was the same. This structure is shown in FIG. FIG. 5 is a diagram schematically showing the structure of a tactile pressure sensor according to another embodiment of the present invention. The same components as those already described are given the same reference numerals.
[0048]
In the bridge circuit using the strain gauges 4a and 4d, the elements corresponding to the strain gauges 4b and 4c in the bridge circuit shown in FIG. At this time, similarly to Example 1, a force of Fx = 250 g was applied in the X direction. As a result, the output voltage of the bridge circuit was 0.85 mV to 0.9 mV, the interference between Fx detection and Fy detection was within 20%, and the linearity was within ± 1%. Since the strain gauge is attached to only one side of the strain generating portions 2a, 2b, 3a, 3b, the output is reduced and the detection sensitivity is reduced to about half.
[0049]
[Example 3]
In Example 3, the vicinity of the boundary between the strain generating portion 1 and the four leg strain generating portions 2a, 2b, 3a, 3b, and the strain generating portions 2a, 2b, 3a, 3b and the foot portions 12a, 12b, 13a, No recess was provided near the boundary with 13b. Other configurations are the same as those of the first embodiment. This structure is shown in FIG. FIG. 6 is a diagram schematically showing the structure of a tactile pressure sensor according to still another embodiment of the present invention, where the same components as those already described are given the same reference numerals.
[0050]
As in Example 1, a force of Fx = 250 g was applied in the X direction. As a result, the output voltage of the bridge circuit was 0.5 mV to 0.55 mV, the interference between Fx detection and Fy detection was within 30%, and the linearity was within ± 2%. Since there is no recess, the rigidity of the strain generating portions 2a, 2b, 3a, and 3b is increased, and the output value corresponding to the strain is small because it is difficult to deform. Further, the interference and linearity between Fx detection and Fy detection are also inferior to those of the above embodiments.
[0051]
Next, a contact pressure sensor according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram schematically showing a structure of a contact pressure sensor according to still another embodiment of the present invention. FIG. 7A is a top view and FIG. 7B is a front view.
[0052]
The tactile pressure sensor 70 according to this embodiment is configured to detect the distribution of force on the mounting surface by arranging the tactile pressure sensors shown in FIG. 1 in an array. For example, the total three component forces can be obtained by adding the three component forces applied to the entire fingertip surface by being attached to the fingertip surface or the like and fixed by bonding or the like for each component force. As shown in FIG. 7, this tactile pressure sensor 70 has a tread shape of each tactile pressure sensor and is connected to the adjacent tactile pressure sensor. In this case, a total of twelve pieces of 4 × 3. It is an array of. Such an array configuration can also be manufactured, for example, by pressing and punching a single plate material.
[0053]
Specific dimensions are, for example, about 10 mm to 30 mm in the lateral direction A (more specifically, for example, 15 mm), and about 15 mm to 45 mm (more specifically, for example, 20 mm) in the vertical direction B. The height H is, for example, about 1 mm to 3 mm (more specifically, for example, 1.6 mm).
[0054]
Further, ribbon-like wiring boards 71a, 71b, 71c are respectively attached to the lower side of the contact pressure sensors constituting each column in the vertical direction so as to be fitted into the convex shape of the strain generating portion 1 on the disk. ing. The wiring boards 71a, 71b, 71c supply electrical wiring to a strain gauge attached to a contact pressure sensor as an element. The strain gauge and the wiring board 71a and the like are connected by, for example, solder using lead wires, but they are not shown here.
[0055]
FIG. 8 is a diagram showing the structure of the wiring board 71a (71b, 71c). FIG. 8A is a top view and FIG. 8B is a side view. As shown in FIG. 8, this wiring board is a kind of multilayer wiring board, and has a structure in which insulating layers 91, 92, 93, 94,... And wiring layers 81, 82, 83,. . The insulating layers 91, 92, 93, 94,... Are flexible insulating materials such as polyimide, and the wiring layers 81, 82, 83,. The number of wiring layers 81,... Matches the number of elements in the vertical direction shown in FIG.
[0056]
In FIG. 8, the lowermost wiring layer 81 is exposed on the most distal end side (upper side in the figure), and is exposed at each position farther from the distal end side as the wiring layer is the upper one. The exposed part becomes the connection end with each strain gauge. According to such a configuration of the wiring board 71a, one wiring for each of the strain gauges 4a, 4b, 4c, 4d, 5a,..., 8a to 8d attached to the contact pressure sensor as each element is provided. The wiring layer can be in charge. The wiring board has a very simple structure, and can be inexpensive because it does not require a structure like a through hole even though it is a multilayer board.
[0057]
FIG. 9 is a diagram showing a configuration when the array-like tactile sensor 70 shown in FIG. 8 is attached to the fingertip of the finger portion 100 of the grasping robot. FIG. 9A is a side view and FIG. 9B is a front view. Components corresponding to those shown in FIGS. 8 and 9 are given the same reference numerals.
[0058]
As shown in FIG. 9, the array-like tactile pressure sensor 70 can be mounted following a surface having a minute curved surface such as a human fingertip. Therefore, it is suitable for detecting tactile pressure as various gripping robots. The gripping robot is expected to be applied in various fields such as a washing machine, a vending machine, and a cooker in addition to industrial use.
[0059]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the force (pressure) in the Z direction (the direction perpendicular to the mounting surface) is detected by the first strain gauge attached to the first strain generating portion, and the first X-direction and Y-direction (directions parallel to the mounting surface (shear direction) by the second to fifth strain gauges respectively attached to the second to fifth strain-generation sections having a structure that supports the strain generation section. ) Force (pressure) is detected. Since each of the strain generating portions is plate-shaped and easily bent, detection can be performed from a small force. In addition, a strain gauge dedicated to force detection in each direction is provided, and for example, mutual interference can be reduced to improve detection accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic structure of a contact pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic enlarged view showing the configuration of diaphragm-shaped strain gauges 8a, 8b, 8c, and 8d attached to the lower surface of the disk-shaped strain generating portion 1 in FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle that the tactile pressure sensor shown in FIG. 1 detects force in the Z direction.
4 is a diagram for explaining the principle of detecting a force in the X direction by the tactile pressure sensor shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a diagram schematically showing a tactile pressure sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a tactile pressure sensor according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view schematically showing the structure of a contact pressure sensor according to still another embodiment of the present invention.
8 is a view showing the structure of the wiring board 71a (71b, 71c) shown in FIG. 7;
9 is a diagram showing a configuration when the array-like tactile pressure sensor 70 shown in FIG. 8 is attached to a fingertip of a finger portion 100 of a grasping robot.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Disk-shaped strain generation part 2a, 2b, 3a, 3b ... Plate-shaped strain generation part 4a, 4b, 4c, 4d, 5a, ... Strain gauge 6, 7 ... Recessed part 8a, 8b ... Strain of peripheral side Gauges 8c, 8d ... Strain gauges 12a, 12b, 13a, 13b on the center side ... Foot 20 ... Sheets of diaphragm-like strain gauges 21, 22, 23, 24 ... Connection pads 34, 35 ... Input terminals 42, 43 of the bridge ... bridge output terminals 44, 45 ... bridge input terminals 70 ... tactile pressure sensors 71a, 71b, 71c ... wiring boards 81, 82, 83 ... wiring layers 91, 92, 93, 94 ... insulating layers 100 ... fingers of the gripping robot portion

Claims (8)

円板状の第1の起歪部と、
前記第1の起歪部の周縁をほぼ等角度で4分割する位置より板状に延設され、前記第1の起歪部の脚となって前記第1の起歪部を支持する構造の第2ないし第5の起歪部と、
前記第2ないし第5の起歪部それぞれより前記第1の起歪部とは異なる側に延設された第1ないし第4の足部と、
前記第1の起歪部の円板面上に着設されたダイアフラム状の第1の歪ゲージと、
前記第2ないし第5の起歪部の板面上にそれぞれ着設された第2ないし第5の歪ゲージと
を具備することを特徴とする触圧センサ。
A disk-shaped first strain generating portion;
A structure in which the periphery of the first strain generating portion is extended in a plate shape from a position where the periphery of the first strain generating portion is divided into four at substantially equal angles, and serves as a leg of the first strain generating portion to support the first strain generating portion. Second to fifth strain generating portions;
First to fourth leg portions extending from the second to fifth strain-generating portions, respectively, on a different side from the first strain-generating portion;
A diaphragm-like first strain gauge installed on the disk surface of the first strain-generating portion;
A tactile pressure sensor comprising: second to fifth strain gauges respectively attached to the plate surfaces of the second to fifth strain generating portions.
前記第2ないし第5の起歪部の板面の両面それぞれに歪ゲージが着設されるように、前記第2ないし第5の歪ゲージのほかに第6ないし第9の歪ゲージをさらに具備することを特徴とする請求項1記載の触圧センサ。In addition to the second to fifth strain gauges, sixth to ninth strain gauges are further provided so that strain gauges are attached to both surfaces of the plate surfaces of the second to fifth strain generating portions. The tactile pressure sensor according to claim 1. 前記第2ないし第5の起歪部が前記第1の起歪部を支持する前記構造における前記第1の起歪部の円板と前記第2ないし第5の起歪部の板との角度は、90度ないし130度であることを特徴とする請求項1記載の触圧センサ。An angle between a disk of the first strain generating portion and a plate of the second to fifth strain generating portions in the structure in which the second to fifth strain generating portions support the first strain generating portion. The tactile pressure sensor according to claim 1, wherein the angle is 90 degrees to 130 degrees. 前記第1の起歪部から前記第2ないし第5の起歪部への延設境界付近に、前記第1の起歪部の円板面積または前記第2ないし第5の起歪部の板面積を狭くするように凹部が形成されていることを特徴とする請求項1記載の触圧センサ。In the vicinity of the extending boundary from the first strain generating portion to the second to fifth strain generating portions, the disk area of the first strain generating portion or the plate of the second to fifth strain generating portions. The tactile pressure sensor according to claim 1, wherein a concave portion is formed so as to reduce an area. 前記第2ないし第5の起歪部から前記第1ないし第4の足部への延設境界付近に、前記第2ないし第5の起歪部の板面積を狭くするように凹部が形成されていることを特徴とする請求項1記載の触圧センサ。A recess is formed in the vicinity of the extending boundary from the second to fifth strain generating portions to the first to fourth foot portions so as to reduce the plate area of the second to fifth strain generating portions. The tactile pressure sensor according to claim 1, wherein: 請求項1記載の触圧センサがエレメントとしてアレー状に配列されていることを特徴とする触圧センサ。A tactile pressure sensor according to claim 1, wherein the tactile pressure sensor is arranged in an array as an element. 前記エレメントとしての触圧センサそれぞれに配設された歪ゲージそれぞれの端子に電気的配線を供給する配線基板をさらに具備し、
前記配線基板は、多層の配線層を有し、配線層ごとに接続される前記エレメントとしての触圧センサが一定である
ことを特徴とする請求項6記載の触圧センサ。
A wiring board for supplying electrical wiring to the terminals of the strain gauges disposed in the contact pressure sensors as the elements;
The tactile pressure sensor according to claim 6, wherein the wiring board has a multi-layered wiring layer, and the tactile pressure sensor as the element connected to each wiring layer is constant.
請求項6記載の触圧センサを触圧検知のため具備することを特徴とする把持ロボット。A grasping robot comprising the tactile pressure sensor according to claim 6 for tactile pressure detection.
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