JP2008126331A - Structure of finger of robot hand, force feeling sensor, and robot hand - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はロボットハンドの指腹面に作用する外力の検出に適したロボットハンドの指構造及び力覚センサ装置に関する。 The present invention relates to a finger structure of a robot hand and a force sensor device suitable for detecting an external force acting on the finger pad surface of the robot hand.
例えば、ロボットハンドによって物体の把持を行う際にロボットハンドの把持力を適正に調整するためには、ロボットハンドに作用する外力を検出する必要がある。したがって、ロボットハンドの指先部に多軸力センサを内蔵させることが行われている。例えば特許文献1には、3軸力センサを内蔵するロボットハンドの指先構造が開示されている。 For example, in order to properly adjust the gripping force of the robot hand when gripping an object by the robot hand, it is necessary to detect an external force acting on the robot hand. Therefore, a multi-axis force sensor is built in the fingertip portion of the robot hand. For example, Patent Document 1 discloses a fingertip structure of a robot hand incorporating a triaxial force sensor.
ここで、多軸力センサとは、少なくとも互いに直交する2軸方向以上の力又はモーメントを検出可能なセンサである。多軸力センサの代表的な構造は、可撓性のダイヤフラムの上に柱状の力伝達体が設けられた構造である。このような多軸力センサは、力伝達体に作用する力によって生じるダイヤフラムの変形を力の計測に利用している(例えば特許文献2乃至4を参照)。 Here, the multi-axis force sensor is a sensor that can detect at least forces or moments in two or more directions perpendicular to each other. A typical structure of a multi-axis force sensor is a structure in which a columnar force transmission body is provided on a flexible diaphragm. Such a multi-axis force sensor utilizes the deformation of the diaphragm caused by the force acting on the force transmission body for measuring the force (see, for example, Patent Documents 2 to 4).
一例として特許文献2に開示された多軸力センサの構造を図6に示す。図6に示す多軸力センサ70は、可撓性のダイヤフラム71の上に柱状の力伝達体72が設けられ、ダイヤフラム71の力伝達体72が設けられた面と反対の面にセンサ基板73が固定された構造である。センサ基板73には、ピエゾ抵抗素子74が形成されている。このような構造によって、力伝達体72に作用する力によってダイヤフラム71が変形し、このダイヤフラム71の変形によってセンサ基板73に力が働き、このセンサ基板73に働く力によってピエゾ抵抗素子74の抵抗変化が引き起こされる。このため、ピエゾ抵抗素子74の抵抗変化を検知することにより、力伝達体72に作用する力を計測することができる。なお、本明細書では、図3に示すように、柱状の力伝達体72の中心軸に沿った方向をz軸方向とし、このz軸と直交する他の2つの軸をx軸及びy軸と定義する。また、本明細書において言及される他の多軸力センサに対しても特に断らない限り、この座標軸の定義を適用するものとする。 As an example, the structure of a multi-axis force sensor disclosed in Patent Document 2 is shown in FIG. A multi-axis force sensor 70 shown in FIG. 6 includes a columnar force transmission body 72 provided on a flexible diaphragm 71, and a sensor substrate 73 on a surface opposite to the surface on which the force transmission body 72 of the diaphragm 71 is provided. Is a fixed structure. A piezoresistive element 74 is formed on the sensor substrate 73. With such a structure, the diaphragm 71 is deformed by the force acting on the force transmitting body 72, the force acts on the sensor substrate 73 due to the deformation of the diaphragm 71, and the resistance change of the piezoresistive element 74 is caused by the force acting on the sensor substrate 73. Is caused. For this reason, the force acting on the force transmission body 72 can be measured by detecting the resistance change of the piezoresistive element 74. In this specification, as shown in FIG. 3, the direction along the central axis of the columnar force transmission body 72 is defined as the z-axis direction, and the other two axes orthogonal to the z-axis are the x-axis and the y-axis. It is defined as Further, the definition of the coordinate axes is applied to other multi-axis force sensors mentioned in this specification unless otherwise specified.
多軸力センサ代表的なものは、6軸力センサ及び3軸力センサである。6軸力センサは、互いに直交する3軸方向の力Fx、Fy、Fzと、これら3軸の軸回りのモーメントMx、My、Mzの合計6成分を独立に検出可能なセンサである。一方、3軸力センサは、1軸方向の力Fzと、力検出軸と直交する2軸方向のモーメントMx及びMyの合計3成分を検出するセンサ、又は、互いに直交する3軸方向の力Fx、Fy、Fzの3成分を検出するセンサである。
従来のロボットハンドの指先部は、特許文献1の図4に示されるように、多軸力センサが有する柱状の力伝達体の中心軸つまりz軸が、指先部を支持する指第1関節から指先部の先端に向かう方向であって指先部の指腹側の面(以下、指腹面と呼ぶ)に垂直な方向(以下、指先長手方向と呼ぶ)に沿うように多軸力センサが配置される構造を採用している。したがって、このような構造を有する指先部では、指腹面に垂直に加わる外力が、x軸方向又はy軸方向の力又はモーメントとして多軸力センサに検出されることになる。この指腹面に垂直に作用する外力は、指腹面に接する物体による押圧力の主要な成分であるから、ロボットハンドによって物体把持を行う場合などには特に、この外力を正確に検出することが求められる。 As shown in FIG. 4 of Patent Document 1, the fingertip portion of the conventional robot hand is such that the center axis of the columnar force transmission body of the multi-axis force sensor, that is, the z-axis is from the first finger joint that supports the fingertip portion. The multi-axis force sensor is arranged along the direction (hereinafter referred to as the fingertip longitudinal direction) perpendicular to the fingertip side surface (hereinafter referred to as the fingertip surface) of the fingertip portion and toward the tip of the fingertip portion. The structure is adopted. Therefore, in the fingertip portion having such a structure, an external force applied perpendicularly to the finger pad surface is detected by the multi-axis force sensor as a force or moment in the x-axis direction or the y-axis direction. This external force acting perpendicularly to the finger pad surface is a major component of the pressing force by the object in contact with the finger pad surface, so it is required to detect this external force accurately, especially when the object is gripped by a robot hand. It is done.
例えば、指先部に設けられるセンサが、柱状の力伝達体に作用するz軸方向の力と、x軸周り及びy軸周りのモーメントとを検出する3軸力センサである場合は、指腹面に垂直な方向の外力は、x軸周り又はy軸周りのモーメント成分として検出される。つまり、指腹面のどの位置に外力が作用するかによって、3軸力センサで検出されるモーメントの大きさが変化するため、指腹面に作用する外力を正確に検知することが困難である。 For example, when the sensor provided at the fingertip portion is a three-axis force sensor that detects a force in the z-axis direction acting on a columnar force transmission body and a moment around the x-axis and the y-axis, The external force in the vertical direction is detected as a moment component around the x axis or the y axis. That is, since the magnitude of the moment detected by the three-axis force sensor changes depending on which position on the finger pad surface the external force acts on, it is difficult to accurately detect the external force acting on the finger pad surface.
また例えば、指先部に設けられるセンサが6軸力センサである場合でも、力伝達体の中心軸が指先長手方向に沿って配置されている限り、指腹面のどの位置に外力が作用するかによって、6軸力センサで検出される力及びモーメントの大きさが変化し、指腹面に垂直に作用する外力を正確に検知することが困難である。 For example, even when the sensor provided at the fingertip portion is a six-axis force sensor, depending on which position on the finger pad surface the external force acts as long as the central axis of the force transmission body is disposed along the fingertip longitudinal direction. The magnitudes of the force and moment detected by the 6-axis force sensor change, and it is difficult to accurately detect an external force acting perpendicularly to the finger pad surface.
また、単に多軸力センサのz軸が指腹面に垂直な方向に沿うように、多軸力センサを指先部に配置した場合、指腹面に垂直に加わる外力を正確に検知できる範囲が指腹面の一部に限定されるという問題がある。具体的には、指腹面のうち、実質的に力伝達体の先端面と対向する領域に限定される。 In addition, when the multi-axis force sensor is arranged at the fingertip portion so that the z-axis of the multi-axis force sensor is along the direction perpendicular to the finger pad surface, the range in which the external force applied perpendicular to the finger pad surface can be accurately detected is There is a problem that it is limited to a part of. Specifically, it is limited to a region of the finger pad surface that substantially faces the tip surface of the force transmission body.
本発明は上述した問題点を考慮してなされたものであり、ロボットハンドの指腹面に作用する外力を多軸力センサによって精度よく検出することが可能なロボットハンドの指構造、力覚センサ装置及びロボットハンドを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and a finger structure of a robot hand and a force sensor device capable of accurately detecting an external force acting on the finger pad surface of the robot hand with a multi-axis force sensor. And it aims at providing a robot hand.
本発明の第1の態様にかかるロボットハンドの指構造は、柱状の力伝達体に作用する力又はモーメントを検出する多軸力センサと、表面が前記力伝達体の中心軸と略垂直となる向きに配置され、前記力伝達体を指向していない側の表面を指腹面とする膜部材と、表面が前記中心軸と略垂直かつ前記膜部材の表面と略平行となる向きで前記膜部材と前記力伝達体との間に位置し、前記中心軸に平行な方向にのみ変位可能に配置されている板状部材とを備え、前記中心軸に平行な外力が前記指腹面に作用する場合に、前記膜部材に押される前記板状部材によって前記力伝達体が押圧されるよう構成されたものである。なお、後述する発明の実施の形態においては、膜部材1が前記膜部材に相当し、z軸力伝達板3が前記板状部材に相当する。 The finger structure of the robot hand according to the first aspect of the present invention includes a multi-axis force sensor that detects a force or moment acting on a columnar force transmission body, and a surface that is substantially perpendicular to the central axis of the force transmission body. A membrane member disposed in a direction and having a surface on the side not directed to the force transmission body as a finger pad surface, and the membrane member in a direction substantially perpendicular to the central axis and substantially parallel to the surface of the membrane member And a plate-like member that is disposed between the force transmission body and displaceable only in a direction parallel to the central axis, and an external force parallel to the central axis acts on the finger pad surface In addition, the force transmission body is configured to be pressed by the plate member pressed by the membrane member. In the embodiment of the invention described later, the membrane member 1 corresponds to the membrane member, and the z-axis force transmission plate 3 corresponds to the plate member.
上記第1の態様にかかるロボットハンドの指構造は、力伝達体の中心軸であるz軸が指腹面に対して垂直となるように多軸力センサが配置された構造であるため、指腹面に垂直に作用する外力をz軸方向の力として計測できる。このため、指腹面に作用する外力を正確に計測することができる。さらに、力伝達体と膜部材の間に変位方向がz軸方向に制限された板状部材が配置された構造を有する。このため、指腹面のうち実質的に力伝達体の先端面と対向する領域以外に外力が作用する場合にも、多軸軸力センサによってこれを検出することができる。 Since the finger structure of the robot hand according to the first aspect is a structure in which the multi-axis force sensor is arranged so that the z-axis that is the central axis of the force transmission body is perpendicular to the finger pad surface, The external force acting perpendicularly to can be measured as a force in the z-axis direction. For this reason, the external force acting on the finger pad surface can be accurately measured. Furthermore, it has the structure where the plate-shaped member by which the displacement direction was restrict | limited to the z-axis direction was arrange | positioned between the force transmission body and the film | membrane member. For this reason, even when an external force is applied to a region other than the region of the finger pad surface that is substantially opposed to the distal end surface of the force transmission body, this can be detected by the multiaxial axial force sensor.
本発明の第2の態様は、上記第1の態様にかかるロボットハンドの指構造が、中空筒状の壁部と、一端が前記壁部から延出し他端が前記力伝達体に連結される少なくとも1つのビームとを有し、前記壁部が形成する中空筒の片端が前記膜部材によって閉じられるように前記膜部材と前記壁部とが固定されている固定部材をさらに備えたものである。さらに、前記板状部材は、前記壁部が形成する中空筒内に位置し、前記固定部材と干渉することなく前記中心軸方向に沿って変位可能に配置されていることを特徴としている。なお、後述する発明の実施の形態においては、xy軸力伝達フレーム2が前記固定部材に相当する。 According to a second aspect of the present invention, the finger structure of the robot hand according to the first aspect includes a hollow cylindrical wall portion, one end extending from the wall portion, and the other end connected to the force transmission body. A fixing member that has at least one beam and that fixes the membrane member and the wall portion so that one end of a hollow cylinder formed by the wall portion is closed by the membrane member. . Further, the plate-like member is located in a hollow cylinder formed by the wall portion, and is arranged to be displaceable along the central axis direction without interfering with the fixing member. In the embodiment of the invention described later, the xy axial force transmission frame 2 corresponds to the fixing member.
上記第2の態様によれば、指腹面に作用する力であって指腹面に平行な成分が、固定部材を介して多軸力センサに伝達される。このため、ロボットハンドに把持される物体と指腹面との摩擦力等を多軸軸力センサにより直接的に検出することができる。 According to the second aspect, a component acting on the finger pad surface and parallel to the finger pad surface is transmitted to the multi-axis force sensor via the fixing member. For this reason, the frictional force between the object gripped by the robot hand and the finger pad surface can be directly detected by the multi-axis axial force sensor.
本発明の第3の態様は、上記第1又は第2の態様にかかるロボットハンドの指構造において、前記壁部と前記力伝達体の間が少なくとも2つのビームにより連結され、前記2つのビームのなす角度が略直角であることを特徴とする。これにより、ビームのねじれや力伝達体のねじれに起因する指腹面に平行な力の向き及び大きさの計測誤差を抑制できる。 According to a third aspect of the present invention, in the finger structure of the robot hand according to the first or second aspect, the wall portion and the force transmission body are connected by at least two beams, The angle formed is substantially a right angle. Thereby, the measurement error of the direction and magnitude of the force parallel to the finger pad surface caused by the twist of the beam or the twist of the force transmission body can be suppressed.
本発明の第4の態様にかかる力覚センサ装置は、柱状の力伝達体に作用する力又はモーメントを検出する多軸力センサと、表面が前記力伝達体の中心軸と略垂直となる向きで前記力伝達体に対向し、前記中心軸に平行な方向にのみ変位可能に配置されている板状部材とを備え、前記中心軸に平行な外力が前記第1の部材に作用する場合に、前記第1の部材によって前記力伝達体が押圧されるよう構成されたものである。 A force sensor device according to a fourth aspect of the present invention includes a multi-axis force sensor that detects a force or moment acting on a columnar force transmission body, and a direction in which a surface is substantially perpendicular to a central axis of the force transmission body. And a plate-like member disposed so as to be displaceable only in a direction parallel to the central axis, and an external force parallel to the central axis acts on the first member. The force transmission body is configured to be pressed by the first member.
上記第4の態様にかかる力覚センサ装置は、力伝達体の中心軸であるz軸が膜部材に対して垂直となるように多軸力センサが配置された構造であるため、膜部材に垂直に作用する外力をz軸方向の力として計測できる。このため、膜部材の表面に作用する力を正確に計測することができる。さらに、力伝達体と膜部材の間に変位方向がz軸方向に制限された第1の部材が配置された構造を有する。このため、膜部材の表面のうち実質的に力伝達体の先端面と対向する領域以外に外力が作用する場合にも、多軸軸力センサによってこれを検出することができる。したがって、膜部材を指腹面又は掌面の少なくとも一部として露出させた状態で当該力覚センサ装置をロボットハンドに内蔵することにより、指腹面又は掌面に作用する外力を正確に計測することができる。 The force sensor device according to the fourth aspect has a structure in which the multi-axis force sensor is arranged so that the z-axis, which is the central axis of the force transmission body, is perpendicular to the membrane member. An external force acting vertically can be measured as a force in the z-axis direction. For this reason, the force which acts on the surface of a film | membrane member can be measured correctly. Furthermore, the first member whose displacement direction is limited to the z-axis direction is disposed between the force transmission body and the membrane member. For this reason, even when an external force acts outside the region of the surface of the membrane member that is substantially opposed to the tip surface of the force transmission body, this can be detected by the multiaxial axial force sensor. Therefore, the external force acting on the finger pad surface or palm surface can be accurately measured by incorporating the force sensor device in the robot hand with the membrane member exposed as at least part of the finger pad surface or palm surface. it can.
本発明の第5の態様は、前記第4の態様にかかる力覚センサ装置が、表面が前記中心軸と略垂直となる向きで、前記力伝達体との間に前記板状部材が位置するように配置されている膜部材と、中空筒状の壁部と、一端が前記壁部から延出し他端が前記力伝達体に連結される少なくとも1つのビームとを有し、前記壁部が形成する中空筒の片端が前記膜部材によって閉じられるように前記膜部材の縁辺と前記壁部とが固定されている固定部材をさらに備えたものである。さらに、前記板状部材は、前記壁部が形成する中空筒内に位置し、前記固定部材と干渉することなく前記中心軸方向に沿って変位可能に配置されていることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the force sensor device according to the fourth aspect, the plate-like member is positioned between the force transmitting body and the surface thereof in a direction substantially perpendicular to the central axis. The membrane member, the hollow cylindrical wall portion, and at least one beam having one end extending from the wall portion and the other end connected to the force transmission body, the wall portion It further includes a fixing member in which the edge of the membrane member and the wall portion are fixed so that one end of the hollow cylinder to be formed is closed by the membrane member. Further, the plate-like member is located in a hollow cylinder formed by the wall portion, and is arranged to be displaceable along the central axis direction without interfering with the fixing member.
上記第5の態様によれば、膜部材に作用する力であって膜部材の表面に平行な成分が、固定部材を介して多軸力センサに伝達される。このため、膜部材の表面に平行に作用する力を多軸軸力センサにより直接的に検出することができる。 According to the fifth aspect, a component acting on the membrane member and parallel to the surface of the membrane member is transmitted to the multi-axis force sensor via the fixed member. For this reason, the force acting in parallel with the surface of the membrane member can be directly detected by the multiaxial axial force sensor.
本発明の第6の態様は、前記第5の態様にかかる力覚センサ装置を備え、前記膜部材を指腹面又は掌面の少なくとも一部として露出させたことを特徴とするロボットハンドである。 A sixth aspect of the present invention is a robot hand comprising the force sensor device according to the fifth aspect, wherein the membrane member is exposed as at least a part of a finger pad surface or a palm surface.
本発明により、ロボットハンドの指先部の指腹面に作用する外力を多軸力センサによって精度よく検出することが可能なロボットハンドの指構造、力覚センサ装置及びロボットハンドを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a finger structure of a robot hand, a force sensor device, and a robot hand capable of accurately detecting an external force acting on the finger pad surface of the fingertip portion of the robot hand with a multi-axis force sensor.
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted as necessary for the sake of clarity.
本実施の形態にかかる指先部10は、複数の指リンクを有するロボットハンドにおいて、各指リンクの末端に配置されるリンク部材である。以下では、指先部10の構造を図1乃至図4を用いて説明する。図1は、本実施の形態にかかる指先部10の外観を示す斜視図である。図2は、指先部10を指腹面側からみた平面図である。なお、図2では、指先部10の内部構造を明らかにするために、膜部材1及びz軸力伝達板3を除いて図示している。図3は、指先部10の断面図であり、図2のAA線での断面を示している。図4は、指先部10の断面図であり、図2のBB線での断面を示している。 The fingertip portion 10 according to the present embodiment is a link member arranged at the end of each finger link in a robot hand having a plurality of finger links. Below, the structure of the fingertip part 10 is demonstrated using FIG. 1 thru | or FIG. FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a fingertip portion 10 according to the present embodiment. FIG. 2 is a plan view of the fingertip portion 10 as viewed from the finger pad surface side. 2, in order to clarify the internal structure of the fingertip portion 10, the membrane member 1 and the z-axis force transmission plate 3 are not shown. FIG. 3 is a cross-sectional view of the fingertip portion 10 and shows a cross section taken along line AA of FIG. 4 is a cross-sectional view of the fingertip portion 10 and shows a cross section taken along line BB of FIG.
図1、3及び4に示すように、指先部10の指腹側の表面には、可撓性の膜部材1が設けられる。膜部材1の縁辺は、xy軸力伝達フレーム2に接着固定されている。指先部10を有するロボットハンドによって物体把持などの動作が行うために、膜部材1の表面には高い静摩擦係数が求められる。このため、膜部材1には高摩擦係数の材料を用いるとよい。あるいは、膜部材1の指腹側の表面の静摩擦係数を高めるためにエンボス加工を施してもよい。 As shown in FIGS. 1, 3 and 4, a flexible membrane member 1 is provided on the finger pad side surface of the fingertip portion 10. The edge of the membrane member 1 is bonded and fixed to the xy axial force transmission frame 2. Since the robot hand having the fingertip portion 10 performs an operation such as gripping an object, a high static friction coefficient is required on the surface of the film member 1. For this reason, a material having a high friction coefficient is preferably used for the film member 1. Alternatively, embossing may be performed to increase the static friction coefficient of the surface of the membrane member 1 on the finger pad side.
詳細については後述するが、膜部材1に作用する指腹面に垂直な方向の力Fzは、指背側に向けて押圧された膜部材1と、z軸力伝達板3とを介して3軸力センサ5に伝達される。このため、膜部材1は、可撓性の部材であるとよい。なお、膜部材1の撓み変形によらず、膜部材1が力Fzによって弾性変形することでz軸力伝達板3に力が作用する構成としてもよい。この場合は、膜部材1の指腹面に外力が作用していない状態において、膜部材1とz軸力伝達板3が面接触する構成とすればよい。 As will be described in detail later, the force Fz in the direction perpendicular to the finger pad surface acting on the membrane member 1 is triaxial through the membrane member 1 pressed toward the finger back side and the z-axis force transmission plate 3. It is transmitted to the force sensor 5. For this reason, the membrane member 1 is preferably a flexible member. In addition, it is good also as a structure which force acts on the z-axis force transmission board 3 because the film | membrane member 1 elastically deforms with force Fz irrespective of the bending deformation of the film | membrane member 1. FIG. In this case, the membrane member 1 and the z-axis force transmission plate 3 may be in surface contact with each other when no external force is applied to the finger pad surface of the membrane member 1.
一方、膜部材1に作用する外力の指腹面に平行な方向の力Fx及びFyは、力Fx及びFyによって膜部材1が引っ張られることにより、xy軸力伝達フレーム2を介して3軸力センサ5に伝達される。したがって、膜部材1の張力によるxy軸力伝達フレーム2への力伝達を的確に行えるように、膜部材1の縦弾性係数は大きいほうがよい。 On the other hand, the forces Fx and Fy in the direction parallel to the finger pad surface of the external force acting on the membrane member 1 are pulled by the membrane member 1 by the forces Fx and Fy, so that the three-axis force sensor is transmitted via the xy-axis force transmission frame 2. 5 is transmitted. Therefore, the longitudinal elastic modulus of the membrane member 1 is preferably large so that force transmission to the xy-axis force transmission frame 2 by the tension of the membrane member 1 can be performed accurately.
xy軸力伝達フレーム2は、指先部1の指腹面、つまり膜部材1に作用する平行な方向の力Fx及びFyを3軸力センサ5に伝達するための部材である。図2乃至4に示すように、xy軸力伝達フレーム2は、壁部21、x軸ビーム22a及びb、並びにy軸ビーム23a及びbを有する。壁部21は、xy軸力伝達フレーム2の外周に中空筒状に形成されている。壁部21の指腹側の端部には膜部材1が接着固定される。 The xy axial force transmission frame 2 is a member for transmitting parallel forces Fx and Fy acting on the finger pad surface of the fingertip portion 1, that is, the membrane member 1, to the triaxial force sensor 5. As shown in FIGS. 2 to 4, the xy-axis force transmission frame 2 includes a wall portion 21, x-axis beams 22a and 22b, and y-axis beams 23a and 23b. The wall portion 21 is formed in a hollow cylindrical shape on the outer periphery of the xy axial force transmission frame 2. The membrane member 1 is bonded and fixed to the end of the wall portion 21 on the finger pad side.
x軸伝達ビーム22a及びbは、x軸方向つまり指先長手方向に沿って設けられたビーム(梁)部材である。x軸伝達ビーム22a及びbは、壁部21から延出しており、3軸力センサ5が有する柱状の力伝達体53に連結されている。また、y軸伝達ビーム23a及びbは、y軸方向に沿って設けられたビーム(梁)部材である。y軸伝達ビーム23a及びbも、壁部21から延出し、3軸力センサ5が有する柱状の力伝達体53に連結されている。 The x-axis transmission beams 22a and 22b are beam members that are provided along the x-axis direction, that is, the fingertip longitudinal direction. The x-axis transmission beams 22 a and 22 b extend from the wall portion 21 and are connected to a columnar force transmission body 53 included in the triaxial force sensor 5. The y-axis transmission beams 23a and 23b are beam members provided along the y-axis direction. The y-axis transmission beams 23 a and b also extend from the wall portion 21 and are connected to a columnar force transmission body 53 included in the triaxial force sensor 5.
z軸力伝達板3は、指先部1の指腹面、つまり膜部材1に作用する指腹面に垂直な方向の力Fzを3軸力センサ5に伝達するための部材である。なお、図2では、z軸力伝達板3を点線によって示している。図2に示すように、z軸力伝達板3は、xy軸力伝達フレーム2が有する壁部21によって形成される中空円筒の内側に配置されている。また、図3及び4に示すように、z軸力伝達板3は、z軸方向で見ると、力伝達体53、x軸ビーム22a及び22b、並びにy軸ビーム23a及び23bと膜部材1との間に位置する。また、z軸力伝達板3は、z軸に沿って変位可能に設けられている。具体的には、z軸力伝達板3に設けられた4つの凹部31のそれぞれにガイド支柱4が挿入されており、z軸力伝達板3は4本のガイド支柱4に沿って摺動可能に構成されている。 The z-axis force transmission plate 3 is a member for transmitting a force Fz in a direction perpendicular to the finger pad surface of the fingertip portion 1, that is, the finger pad surface acting on the membrane member 1, to the three-axis force sensor 5. In FIG. 2, the z-axis force transmission plate 3 is indicated by a dotted line. As shown in FIG. 2, the z-axis force transmission plate 3 is disposed inside a hollow cylinder formed by the wall portion 21 included in the xy-axis force transmission frame 2. 3 and 4, when viewed in the z-axis direction, the z-axis force transmission plate 3 has the force transmission body 53, the x-axis beams 22a and 22b, the y-axis beams 23a and 23b, the membrane member 1, and the like. Located between. The z-axis force transmission plate 3 is provided so as to be displaceable along the z-axis. Specifically, the guide column 4 is inserted into each of the four recesses 31 provided in the z-axis force transmission plate 3, and the z-axis force transmission plate 3 can slide along the four guide columns 4. It is configured.
4本のガイド支柱は、指先部フレーム6から延出し、z軸に平行に設けられている。このような構成によって、z軸力伝達板3の変位可能な方向がz軸方向に制限される。z軸力伝達板3と力伝達体53の間は、膜部材1に外力が作用していない状態で面接触していてもよく、隙間を設けて対向するように配置されてもよい。 The four guide columns extend from the fingertip part frame 6 and are provided in parallel to the z-axis. With such a configuration, the displaceable direction of the z-axis force transmission plate 3 is limited to the z-axis direction. The z-axis force transmission plate 3 and the force transmission body 53 may be in surface contact with no external force acting on the membrane member 1 or may be arranged to face each other with a gap.
3軸力センサ5は、力伝達体53に作用するz軸方向の力と、x軸方向及びy軸方向のモーメントとを検出するセンサである。図2乃至4に示すように、3軸力センサ5は、3軸力センサ5のz軸つまり力伝達体53の中心軸が、指腹面に対して垂直となるように配置されている。 The triaxial force sensor 5 is a sensor that detects a force in the z-axis direction acting on the force transmission body 53 and a moment in the x-axis direction and the y-axis direction. As shown in FIGS. 2 to 4, the triaxial force sensor 5 is arranged such that the z axis of the triaxial force sensor 5, that is, the central axis of the force transmission body 53 is perpendicular to the finger pad surface.
3軸力センサ5は、変位部材51、センサ基板54及びセンサ筐体55を有する。図2及び3に示すように変位部材51の中央部には、円形のダイヤフラム部52が形成され、さらにダイヤフラム部53の中心に円柱状の力伝達体53が形成されている。センサ基板54には、センサ基板54の機械的な歪みを検出するための抵抗素子又は可変容量素子などの検出素子(不図示)が設けられている。つまり、本実施の形態に示す3軸力センサ5の検出原理は、力伝達体53に作用する外力によってダイヤフラム部52が変形し、このダイヤフラム部52の変形によってセンサ基板54に力が働き、このセンサ基板54に働く力をセンサ基板54が有する検出素子(不図示)によって検出するものである。センサ筐体55には変位部材52が固定され、センサ筐体55の内部にセンサ基板54が収容される。また、センサ筐体55は、指先部フレーム6に固定されている。 The triaxial force sensor 5 includes a displacement member 51, a sensor substrate 54, and a sensor housing 55. As shown in FIGS. 2 and 3, a circular diaphragm 52 is formed at the center of the displacement member 51, and a cylindrical force transmission body 53 is formed at the center of the diaphragm 53. The sensor board 54 is provided with a detection element (not shown) such as a resistance element or a variable capacitance element for detecting mechanical strain of the sensor board 54. That is, the detection principle of the three-axis force sensor 5 shown in the present embodiment is that the diaphragm portion 52 is deformed by an external force acting on the force transmission body 53, and the force acts on the sensor substrate 54 due to the deformation of the diaphragm portion 52. A force acting on the sensor substrate 54 is detected by a detection element (not shown) included in the sensor substrate 54. A displacement member 52 is fixed to the sensor housing 55, and a sensor substrate 54 is accommodated inside the sensor housing 55. The sensor housing 55 is fixed to the fingertip frame 6.
指先部フレーム6は、指先部10の指背側に配置され、4本のガイド支柱4及び3軸力センサ5を支持している。指先部フレーム6の基端側には指第1関節部7が形成されている。指先部10は、指第1関節部7によってロボットハンドが有する指リンクに接続される。 The fingertip part frame 6 is disposed on the finger back side of the fingertip part 10 and supports the four guide columns 4 and the three-axis force sensor 5. A finger first joint portion 7 is formed on the proximal end side of the fingertip portion frame 6. The fingertip portion 10 is connected to a finger link of the robot hand by the first finger joint portion 7.
次に、指先部10の指腹面に作用する外力が3軸力センサ5にどのように伝達されるかについて図5を用いて説明する。図5(a)は、図2の線AAによる断面図であり、指先部10の指腹面に対して指腹面に垂直なz軸方向の力Fzが作用したときの様子を示している。また、図5(b)は、図2の線AAによる断面図であり、指先部10の指腹面に対して指腹面に平行なx軸方向の力Fxが作用したときの様子を示している。 Next, how the external force acting on the finger pad surface of the fingertip portion 10 is transmitted to the triaxial force sensor 5 will be described with reference to FIG. FIG. 5A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2 and shows a state when a force Fz in the z-axis direction perpendicular to the finger pad surface acts on the finger pad surface of the fingertip portion 10. FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2 and shows a state when a force Fx in the x-axis direction parallel to the finger pad surface acts on the finger pad surface of the fingertip portion 10. .
図5(a)に示すように、力Fzが作用すると膜部材1が撓み変形し、指背側の方向(−z方向)に押し下げられた膜部材1がz軸力伝達板3に接することにより、膜部材1からz軸力伝達板3へ力Fzが伝達される。すると、ガイド支柱4によって変位方向がz軸方向に制限されているz軸力伝達板3は、z軸に沿って指背側に向けて押し下げられる。これにより、押し下げられたz軸力伝達板3によって力伝達体53がz軸方向に押圧されるため、力Fzが3軸力センサ5により検出される。 As shown in FIG. 5A, when the force Fz is applied, the membrane member 1 is bent and deformed, and the membrane member 1 pushed down in the finger back side (−z direction) comes into contact with the z-axis force transmission plate 3. Thus, the force Fz is transmitted from the membrane member 1 to the z-axis force transmission plate 3. Then, the z-axis force transmission plate 3 whose displacement direction is limited to the z-axis direction by the guide support 4 is pushed down toward the finger back side along the z-axis. Thereby, the force transmission body 53 is pressed in the z-axis direction by the pushed-down z-axis force transmission plate 3, so that the force Fz is detected by the three-axis force sensor 5.
このように、本実施の形態にかかる指先部10は、力伝達体53の中心軸であるz軸が指腹面に対して垂直となるように3軸力センサ5が配置された構造であるため、指腹面に垂直に作用する外力をz軸方向の力として計測できる。このため、指腹面に作用する外力を正確に計測することができる。 As described above, the fingertip portion 10 according to the present embodiment has a structure in which the three-axis force sensor 5 is arranged so that the z-axis that is the central axis of the force transmission body 53 is perpendicular to the finger pad surface. The external force acting perpendicularly to the finger pad surface can be measured as a force in the z-axis direction. For this reason, the external force acting on the finger pad surface can be accurately measured.
なお、指腹面において力Fzが作用する位置が、図5(a)に示す位置と異なる場合であっても、z軸力伝達板3が押し下げられることによって力伝達体53に力Fzが伝達される。つまり、指先部10は、力伝達体53の中心軸であるz軸が指腹面に対して垂直となるように3軸力センサ5が配置されるだけでなく、力伝達体53と膜部材1の間に変位方向がz軸方向に制限されたz軸力伝達板3が配置された構造を有する。このため、指先部10の指腹面のうち実質的に力伝達体53の先端面と対向する領域以外に力Fzが作用する場合にも、3軸力センサ5によってこれを検出することができる。 Even when the position where the force Fz acts on the finger pad surface is different from the position shown in FIG. 5A, the force Fz is transmitted to the force transmission body 53 by the z-axis force transmission plate 3 being pushed down. The That is, the fingertip portion 10 is not only provided with the triaxial force sensor 5 so that the z-axis that is the central axis of the force transmission body 53 is perpendicular to the finger pad surface, but also the force transmission body 53 and the membrane member 1 The z-axis force transmission plate 3 whose displacement direction is limited to the z-axis direction is disposed between the two. For this reason, even when the force Fz is applied to a region other than the region facing the distal end surface of the force transmission body 53 on the finger pad surface of the fingertip portion 10, this can be detected by the triaxial force sensor 5.
一方、図5(b)に示すようなx軸方向の力Fxが指腹面にはたらく場合には、力Fxによって膜部材1が図の下方に引っ張られ、膜部材1の張力によってxy軸力伝達フレーム2が有する壁部21の指先末端側が指腹側に引っ張られる。この壁部21の動きによって、xy軸力伝達フレーム2とx軸ビーム22a及びbにより連結されている力伝達体53が操作され、力Fxは、y軸周りのモーメントMyとして3軸力センサ53に検出される。上述した力Fxが作用する場合と同様に、指先部10の指腹面に対して指腹面に平行なy軸方向の力Fyが作用する場合は、力Fyがx軸周りのモーメントMxとして3軸力センサ53に検出される。つまり、指先部10は、膜部材1とこれに接する物体との摩擦力等の指腹面と平行に作用する外力を、xy軸力伝達フレーム2を介して3軸力センサ5により直接的に検出することができる。 On the other hand, when the force Fx in the x-axis direction as shown in FIG. 5B acts on the finger pad surface, the membrane member 1 is pulled downward in the figure by the force Fx, and the xy axial force is transmitted by the tension of the membrane member 1. The fingertip end side of the wall portion 21 of the frame 2 is pulled toward the finger pad side. By the movement of the wall portion 21, the force transmission body 53 connected by the xy-axis force transmission frame 2 and the x-axis beams 22a and 22b is operated, and the force Fx is a triaxial force sensor 53 as a moment My around the y axis. Detected. Similarly to the case where the force Fx described above is applied, when a force Fy in the y-axis direction parallel to the finger pad surface is applied to the finger pad surface of the fingertip portion 10, the force Fy is a three-axis as a moment Mx around the x axis. It is detected by the force sensor 53. That is, the fingertip portion 10 directly detects an external force acting in parallel with the finger pad surface such as a frictional force between the membrane member 1 and an object in contact with the membrane member 1 by the triaxial force sensor 5 via the xy axial force transmission frame 2. can do.
上述した発明の実施の形態では、指先部10が力FzとモーメントMx及びMyを検出する3軸力センサ5を備える構成を示した。しかしながら、指先部10は、3軸力センサ5に代えて、互いに直交する3軸方向の力Fx、Fy及びFzを検出する3軸力センサや6軸力センサを備えてもよい。 In the embodiment of the invention described above, the configuration in which the fingertip portion 10 includes the triaxial force sensor 5 that detects the force Fz and the moments Mx and My has been described. However, the fingertip portion 10 may include a triaxial force sensor or a six-axis force sensor that detects forces Fx, Fy, and Fz in three axial directions orthogonal to each other, instead of the triaxial force sensor 5.
また、上述した発明の実施の形態における3軸力センサ5の内部構造は一例である。柱状の力伝達体を有し、この力伝達体に作用する力又はモーメントを検出する多軸力センサについては、既に多くの製品化が行われている。これらの製品が採用する様々な構造を指先部10に内蔵される多軸力センサに適用できることはいうまでもない。 Moreover, the internal structure of the three-axis force sensor 5 in the above-described embodiment is an example. Many commercializations of multi-axis force sensors having a columnar force transmission body and detecting a force or moment acting on the force transmission body have already been performed. It goes without saying that various structures employed by these products can be applied to the multi-axis force sensor built in the fingertip portion 10.
また、上述した指先部10が有するxy軸伝達フレーム2と力伝達体53を連結する構造は一例である。つまり、x軸伝達ビーム22a及びb、y軸伝達ビーム23a及びbによって、膜部材1に作用する指腹面に平行な力を3軸力センサ5が有する力伝達体53に伝達する構造は一例である。xy軸伝達フレーム2と力伝達体53は、z軸力伝達板3と干渉することなく、指腹面に平行な力を力伝達体53に伝達できるよう構成されていればよい。このため、x軸伝達ビーム22a及びb、y軸伝達ビーム23a及びbの一部によって壁部21と力伝達体53の間が連結されてもよい。また、さらに多くのビームによって壁部21と力伝達体53の間が連結されてもよい。また、x軸又はy軸に平行でないビームによって壁部21と力伝達体53の間が連結されてもよい。しかしながら、指腹面に平行な力の向き及び大きさを正確に計測するためには、少なくとも互いに直交する2本のビーム、例えばx軸ビーム22a及びy軸ビーム23aによって壁部21と力伝達体53とを連結することが望ましい。これにより、ビームのねじれや力伝達体53のねじれに起因する指腹面に平行な力の向き及び大きさの計測誤差を抑制できる。 Moreover, the structure which connects the xy axis | shaft transmission frame 2 and the force transmission body 53 which the fingertip part 10 has mentioned above is an example. That is, the structure in which the force parallel to the finger pad surface acting on the membrane member 1 is transmitted to the force transmitting body 53 of the three-axis force sensor 5 by the x-axis transmission beams 22a and b and the y-axis transmission beams 23a and b is an example. is there. The xy-axis transmission frame 2 and the force transmission body 53 may be configured to transmit a force parallel to the finger pad surface to the force transmission body 53 without interfering with the z-axis force transmission plate 3. Therefore, the wall portion 21 and the force transmission body 53 may be connected by a part of the x-axis transmission beams 22a and b and the y-axis transmission beams 23a and b. Further, the wall portion 21 and the force transmission body 53 may be connected by more beams. Further, the wall portion 21 and the force transmission body 53 may be connected by a beam not parallel to the x-axis or the y-axis. However, in order to accurately measure the direction and magnitude of the force parallel to the finger pad surface, at least two beams orthogonal to each other, for example, the x-axis beam 22a and the y-axis beam 23a, and the wall portion 21 and the force transmission body 53 are used. It is desirable to connect Thereby, the measurement error of the direction and magnitude of the force parallel to the finger pad surface caused by the twist of the beam or the twist of the force transmission body 53 can be suppressed.
また、上述した発明の実施の形態では、ロボットハンドが有する指リンクの末端に位置する指先部に本発明を適用する例を示した。しかしながら、上述した指先部10の構造は、指リンクにおいて指先部より基端側に配置されるリンクや、ロボットハンドの掌部分など、外力の検出が要求されるその他の部位に適用してもよい。さらに、指先部10の構造は、ロボットハンドに限らず、力覚を計測する力覚センサ装置として広く適用可能である。 Moreover, in embodiment of the invention mentioned above, the example which applies this invention to the fingertip part located in the terminal of the finger link which a robot hand has was shown. However, the structure of the fingertip part 10 described above may be applied to other parts where detection of external force is required, such as a link arranged on the proximal end side of the fingertip part in the finger link and the palm part of the robot hand. . Furthermore, the structure of the fingertip unit 10 is not limited to a robot hand, and can be widely applied as a force sensor device for measuring a force sense.
さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。 Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention described above.
10 指先部
1 膜部材
2 xy軸力伝達フレーム
21 壁部
22 x軸ビーム
23 y軸ビーム
3 z軸力伝達板
31 凹部
4 ガイド支柱
5 3軸力センサ
51 変位部材
52 ダイヤフラム部
53 力伝達体
54 センサ基板
55 センサ筐体
6 指先部フレーム
7 指第1関節部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fingertip part 1 Membrane member 2 xy-axis force transmission frame 21 Wall part 22 x-axis beam 23 y-axis beam 3 z-axis force transmission plate 31 Recessed part 4 Guide post 5 Triaxial force sensor 51 Displacement member 52 Diaphragm part 53 Force transmission body 54 Sensor board 55 Sensor housing 6 Fingertip frame 7 Finger first joint
Claims (8)
表面が前記力伝達体の中心軸と略垂直となる向きに配置され、前記力伝達体を指向していない側の表面を指腹面とする膜部材と、
表面が前記中心軸と略垂直かつ前記膜部材の表面と略平行となる向きで前記膜部材と前記力伝達体との間に位置し、前記中心軸に平行な方向にのみ変位可能に配置されている板状部材とを備え、
前記中心軸に平行な外力が前記指腹面に作用する場合に、前記膜部材に押される前記板状部材によって前記力伝達体が押圧されるよう構成されたロボットハンドの指構造。 A multi-axis force sensor for detecting a force or moment acting on a columnar force transmission body;
A membrane member whose surface is arranged in a direction substantially perpendicular to the central axis of the force transmission body, and whose surface is not directed to the force transmission body as a finger pad surface;
The surface is positioned between the membrane member and the force transmitting body in a direction that is substantially perpendicular to the central axis and substantially parallel to the surface of the membrane member, and is disposed so as to be displaceable only in a direction parallel to the central axis. A plate-shaped member,
A finger structure of a robot hand configured such that, when an external force parallel to the central axis acts on the finger pad surface, the force transmission body is pressed by the plate-like member pressed by the membrane member.
前記板状部材は、前記壁部が形成する中空筒内に位置し、前記固定部材と干渉することなく前記中心軸方向に沿って変位可能に配置されている請求項1に記載のロボットハンドの指構造。 The hollow cylindrical wall part and at least one beam having one end extending from the wall part and the other end connected to the force transmission body, and one end of the hollow cylinder formed by the wall part is the membrane member The film member and the wall portion are further fixed so as to be closed by the fixing member,
2. The robot hand according to claim 1, wherein the plate-like member is located in a hollow cylinder formed by the wall portion and is arranged to be displaceable along the central axis direction without interfering with the fixing member. Finger structure.
表面が前記力伝達体の中心軸と略垂直となる向きで前記力伝達体に対向し、前記中心軸に平行な方向にのみ変位可能に配置されている板状部材とを備え、
前記中心軸に平行な外力が前記板状部材に作用する場合に、前記板状部材によって前記力伝達体が押圧されるよう構成された力覚センサ装置。 A multi-axis force sensor for detecting a force or moment acting on a columnar force transmission body;
A plate-like member that is disposed so as to be displaceable only in a direction parallel to the central axis, facing the force transmitting body in a direction in which the surface is substantially perpendicular to the central axis of the force transmitting body,
A force sensor device configured to press the force transmission body by the plate-like member when an external force parallel to the central axis acts on the plate-like member.
中空筒状の壁部と、一端が前記壁部から延出し他端が前記力伝達体に連結される少なくとも1つのビームとを有し、前記壁部が形成する中空筒の片端が前記膜部材によって閉じられるように前記膜部材の縁辺と前記壁部とが固定されている固定部材をさらに備え、
前記板状部材は、前記壁部が形成する中空筒内に位置し、前記固定部材と干渉することなく前記中心軸方向に沿って変位可能に配置されている請求項4に記載の力覚センサ装置。 A film member disposed such that the plate-like member is positioned between the force transmission body and the surface in a direction substantially perpendicular to the central axis;
The hollow cylindrical wall part and at least one beam having one end extending from the wall part and the other end connected to the force transmission body, and one end of the hollow cylinder formed by the wall part is the membrane member A fixing member in which the edge of the membrane member and the wall portion are fixed so as to be closed by
5. The force sensor according to claim 4, wherein the plate-like member is positioned in a hollow cylinder formed by the wall portion, and is displaceable along the central axis direction without interfering with the fixing member. apparatus.
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