JP2012181189A - センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】物体を把持した時の力と把持対象物との摩擦力を計測することができるセンサモジュールであって、軽量で安価、かつ省スペース設計であると共に、把持に最適なやわらかさ(粘弾性、超弾性、ゴム的性質)と、表面の摩擦によるグリップ性を備えたセンサモジュールを提供することを目的とするものである。
【解決手段】ベース基板と、前記ベース基板に固定保持された凸形状部を有する金属薄板と、前記金属薄板の前記凸形状部表面に貼着された複数個の歪みゲージと、前記金属薄板の前記凸形状部表面を覆う弾性材製カバー体とより成ることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサモジュールに関するものであり、更に詳しくは、ロボットのハンド等に用いられるセンサモジュールに関する。

近年、把持対象物を壊さず、安定に把持を行うため、ロボットハンド用センサとして押し付け力及び摩擦力を検知するセンサモジュールが望まれている。

従来のセンサモジュールにおいては比較的簡単な方法として指先表面に接触した際の流体の圧力変化を検出して対象物の押し付け力を得る指先センサの例が主であった。
近年、多指を有するロボットハンドが開発され、多自由度を有し任意の形状の物体を任意の方向から把持することが可能となり、様々な作業に対応できるようになってきている。

そこで、ロボットハンドには、多種多様な大きさ、形状、表面状態、重量の任意な物体を破損しないよう、かつ把持部から滑り落ちないよう器用に把持するよう制御する必要がある。

この為、物体を把持した時の力の大きさや位置等が検知できると共に、滑り等の物体の動的挙動を検知することが必要となって来ている。
この様な要求に応えるため、ロボットハンド用のセンサモジュールが数多く開発されている。（特許文献１〜３）

しかしながら、上記従来技術におけるタイプのセンサは信号処理が複雑になる上に指先に取り付けるための小型化が容易でなく、把持対象物との摩擦力を計測することができないという問題点があった。

そこで、フレ−ムの相対向する内壁に固定端を支持された一対の弾性薄板と、この一対の薄板の自由端間に固着された受圧部材と、各弾性薄板の表裏面に貼着された４枚の歪みゲ−ジとにより物体を把持した時の力と把持対象物との摩擦力を計測することができるセンサモジュールが提案された。（特許文献４）

しかし、一対の平板状の弾性薄板を使用している為、最低４枚の歪みゲ−ジが必要であると共に、物体を把持する為の力が大きい場合には、弾性薄板の板厚を厚くせざるを得ない為、センサモジュールが重くなる問題を招来した。

この様に、ロボットハンドは開発途上段階で、現在は研究用途が多くを占めるため、軽量で安価、かつ省スペース設計を考慮したロボットハンド用のセンサモジュールは少ない。
しかし、ロボットハンドの社会的普及には、軽量で安価、かつ省スペース設計なセンサモジュールの出現が待たれている。

更に、物体を把持する指先や皮膚に当たる部分には、物体の破損やロボットハンドからの脱落を防止するため、把持に最適なやわらかさ(粘弾性、超弾性、ゴム的性質)と、表面の摩擦によるグリップ性が要求されると共に、医療、介護支援、家事、仕事支援などへのロボットの活躍が期待されている為、上記要求は不可避な点である。

特開２００４−３３０３７０号公報 特許４０２３６１４号公報 特開２００９−１２５８８１号公報 特開平５−６０６２９号公報

本発明は、物体を把持した時の力と把持対象物との摩擦力を計測することができるセンサモジュールであって、軽量で安価、かつ省スペース設計であると共に、把持に最適なやわらかさ(粘弾性、超弾性、ゴム的性質)と、表面の摩擦によるグリップ性を備えたセンサモジュールを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明にあっては、ベース基板と、前記ベース基板に固定保持された凸形状部を有する金属薄板と、前記金属薄板の前記凸形状部表面に貼着された複数個の歪みゲージと、前記金属薄板の前記凸形状部表面を覆う弾性材製カバー体とより成ることを特徴とする。

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
請求項１記載の発明のセンサモジュールによれば、物体を把持した時の力と把持対象物との摩擦力を計測することが出来、軽量で安価、かつ省スペース設計であると共に、把持に最適なやわらかさ(粘弾性、超弾性、ゴム的性質)と、表面の摩擦によるグリップ性を備えている。
また、請求項２記載の発明のセンサモジュールによれば、金属薄板の凸形状部表面に、複数個の歪みゲージを精度良く貼着出来る為、良好な感度のセンサモジュールを安定的に生産出来る。

更に、請求項３記載の発明のセンサモジュールによれば、金属薄板の凸形状部表面に歪みゲージを精度良く貼着出来る。
更に、請求項４記載の発明のセンサモジュールによれば、金属薄板の凸形状部表面に歪みゲージを精度良く貼着出来ると共に、配線の省スペース化を可能とすることが出来る。

更に、請求項５記載の発明のセンサモジュールによれば、金属薄板の凸形状部表面に歪みゲージを精度良く貼着出来る。
更に、請求項６記載の発明のセンサモジュールによれば、金属薄板の凸形状部表面に歪みゲージを精度良く貼着出来ると共に、配線の省スペース化を可能とすることが出来る。

更に、請求項７記載の発明のセンサモジュールによれば、より確実に、金属薄板の凸形状部表面に歪みゲージを精度良く貼着出来る。
更に、請求項８記載の発明のセンサモジュールによれば、大きな把持力に耐えられると共に、把持に最適なやわらかさを提供し易い。

本発明に係るセンサモジュールの断面図。 ベースシート上に歪みゲージを配置した平面図。 本発明に係るセンサモジュールに用いる歪みゲージの配線図。 本発明に係る他の実施形態のセンサモジュールの断面図。 複数の歪みゲージをフレキシブル配線基板に実装した平面図。 図１のセンサモジュール上にブロックを載置して荷重を与えている図。 荷重Ｗの押圧点を変化させた時の４個の歪みゲージの歪み値をそれぞれ表した図。 図７の４個の歪みゲージの各歪み値をベクトルで表記した図。 図１のセンサモジュール上に載置したブロックを横方向に引張っている図。 図９のブロックがカバー体との間で滑りを発生した前後の歪み値を表した図。 歪みゲージを貼り付けた位置を表した図。 位置検出における測定点を示した図。 測定点１における各歪みゲージのベクトルを表した図。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明に係るセンサモジュールは、図１に示す様に、ベース基板１と、このベース基板１に固定保持された凸形状部２１を有する金属薄板２と、この金属薄板２の凸形状部２１表面に貼着された複数個の歪みゲージ３と、金属薄板２の凸形状部２１表面を覆う弾性材製カバー体４とより構成されている。

金属薄板２の凸形状部２１の形状は、略半球形状（ドーム形状）、円錐台形状、四角錐台形状等の各種形状が可能であるが、大きな把持力に耐えられると共に、把持に最適なやわらかさを提供し易い観点から略半球形状が好ましい。
金属薄板２の材質は、耐蝕性等の観点から、ＳＵＳ３０４を使用した。
金属薄板２の凸形状部２１の厚さ、半径、及び高さは、弾性体の変形に追従する際、ひずみゲージが検出可能範囲になるように設定するのが好ましい。
この様な観点から、厚さを０．３ｍｍ、半径を１５ｍｍに設定した。

また、弾性材製カバー体４の形状は、矩形状であって、金属薄板２の凸形状部２１を完全に覆う事が出来る大きさを備えている。
従って、弾性材製カバー体４の厚みも、金属薄板２の凸形状部２１の高さよりも大きい寸法を備えている。
尚、本実施態様においては、弾性材製カバー体４の形状を矩形状としたが、円形状、楕円形状等の各種形状が用途に応じ適宜選択して用いられる。

この事により、把持に最適なやわらかさ(粘弾性、超弾性、ゴム的性質)と、表面の摩擦によるグリップ性を備える事が容易に行える。

また、弾性材製カバー体４に使用される材質としては、ゴム材や樹脂材が使用され、ゴム材としては、ニトリルゴム、アクリルゴム、ＥＰＤＭ、ＣＲ、シリコーンゴム、フッ素ゴム、天然ゴム等が、樹脂材としては、ＡＢＳ樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＡ（ナイロン／ポリアミド）、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、フッ素樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられ、各種用途に応じて適宜選択して用いられる。
本実施態様では、硬度Ｈｓ４０程度のシリコーンゴムを使用した。

弾性材製カバー体４の形成方法は、別に作製した弾性材製カバー体４を金属薄板２の凸形状部２１の表面に接着剤等で貼り付けるか、あるいは金属薄板２の凸形状部２１の表面に直接一体成形する方法により成形する。

本実施態様では、圧縮成形によって成形した弾性材製カバー体４を金属薄板２の凸形状部２１の表面に接着剤で接着した。
また、センサモジュールをロボットハンドヘ装着するために、金属薄板２の外側四隅に
ボルト締結用の穴を設けた。

そして、このボルト締結用の穴を介して、ボルト８により、ロボットハンド側のベース基板１に固定保持される。
また、金属薄板２の凸形状部２１の凹側表面に、歪みゲージ３を半球部の中心から同心状の位置に４ヵ所等配に貼り付ける構成としている。

この歪みゲージ３は、最小限２枚存在すれば、物体を把持した時の力と把持対象物との摩擦力を計測することが出来る。
このことによって、安価なセンサモジュールを提供出来る。

また、歪みゲージ３は、１軸単体のものを４枚使用し、図１に示す様に、個々に歪みゲージ３を金属薄板２の凸形状部２１の凹側表面に貼着する構成としても良いが、図２に示す様に、弾性材製のベースシ−ト６に４枚の歪みゲージ３を等配に貼り付け、このベースシ−ト６を金属薄板２の凸形状部２１の凹側表面に貼着する構成とする事により、より確実に、金属薄板２の凸形状部２１に歪みゲージ３を精度良く貼着出来る。

この際、ベースシ−ト６には放射状の切込４１が形成されている。
この放射状の切込４１は、図２に示す様に外周側から中心に向かって形成しても良く、中心部から外周側に向かってのびる形でも良い。
また、この放射状の切込４１の形状は、図２に示す様に切込側から先端に向かって切込幅が狭くなる態様であっても、単なるスリットであっても良い。
この事により、金属薄板２の凸形状部２１の表面に歪みゲージ３を精度良く貼着出来る。

また、４つの歪みゲージ３の各々は、図３の配線図に示すようにホイートストンブリッジ９の一辺に１個介挿され、該ホイートストンブリッジ９の出力をアンプ1０で増幅して歪みゲ−ジの抵抗値の変化を検出器１１で検出する構成としている。

ついで、本発明に係る他の実施形態のセンサモジュールを図４及び図５に基づいて説明する。
先に説明した実施形態のセンサモジュールと相違する点は、図５に示すように歪みゲージ３が、フレキシブル配線基板５に実装された状態で金属薄板２の凸形状部２１表面に貼着されている点である。
また、フレキシブル配線基板５には、中心部から放射状の切込４１が形成されている。
また、センサモジュールのロボットハンド側のベース基板１への固定は、図１の実施態様の様に、ボルト８でも良いが、図４の様に接着剤１２により固定する事も可能である。

更に、フレキシブル配線基板５には、３ヶ所に位置決め用マーキング７を設けている。
この位置決め用マーキング７は、金属薄板２の凸形状部２１に設けた位置決め用マーキングと適合させる事により、より確実に、金属薄板の凸形状部表面に歪みゲージを精度良く貼着出来る。
また、フレキシブル配線基板５への歪みゲージ３の実装は、図２に示す様な弾性材製のベースシ−ト６に４枚の歪みゲージ３を等配に貼り付けものを、フレキシブル配線基板５の表面に貼着する方法によっても行う事が出来る。
この事により、フレキシブル配線基板５への歪みゲージ３の実装が、効率的に精度良く行う事が出来る。

本実施形態では歪みゲージ３が、フレキシブル配線基板５に実装される態様としたが、歪みゲージ３素子をフレキシブル配線基板５上に直接パターン形成する事によっても、同様の実施形態が可能である。

上記方法で構成されたセンサモジュールに対し、力（荷重）の大きさ、位置、すべりの検出を行った。
具体的には、図６に示す様に、図１のセンサモジュールのカバー体４の上に載置したブロック１３の上から、センサモジュールの中央（荷重Ｗを実線で示す箇所）に位置を固定して、与える荷重を変化させながらひずみ値を測定した所、４箇所の歪みゲージ３、３、３、３とも同じ歪み値を検出した。
この４箇所の歪みゲージ３、３、３、３の添付位置を１〜４の番号で表したものが図１１である。他の図で歪みゲージの番号で表記しているものは、図１１の添付位置の歪みゲージ３、３、３、３を表している。

そして、この歪み値(ε)は、荷重(F)に比例する値であった。
これは、ε∝Fの材料力学理論と一致しており、この歪み値(ε)から荷重(F)の大きさを確認する事が可能である点を立証できた。

ついで、荷重Ｗの押圧点がセンサモジュールの中央になるようにブロック１３の上から一定荷重Ｗを与え、その荷重Ｗの押圧点を一定距離間隔でシフトさせながら（荷重Ｗを破線で示す様に変化させながら）ひずみ値を測定した。
その結果、図７に示す様に、荷重Ｗの押圧点の位置に近い歪みゲージ３の歪み値は引張り方向に増加し、反対に荷重点の位置から遠い歪みゲージ３の歪み値は圧縮方向に増加していた。
尚、図７の測定点は、９ヶ所で行ったもので、具体的には、図１２に示す測定点における歪みゲージの歪み値を表している。

ついで、金属薄板２の凸形状部２１の中心を原点として、４個の歪みゲージ３、３、３、３の各歪み値について歪みゲージ貼付け方向を正とした軸線上にベクトル表記することで、縦横２軸線上に４個の歪みゲージ３、３、３、３の各歪みベクトルをとり、その４つの歪みベクトルを合成することで、合成歪みベクトルが得られる。

そして、この合成歪みベクトルを各荷重点の位置毎に算出した結果を表したのが図８である。
図８から明らかの様に、合成歪みベクトルの向きは、荷重点の位置方向を指し、歪みベクトルの大きさは、原点（金属薄板２の頂部）からの距離が離れる程大きく成る。
具体的には、図７の測定点１における４個の歪みゲージ３、３、３、３の各歪みベクトルを表したものが図１３である。ここで、指示記号ａは歪みゲージ１の歪みベクトルであり、指示記号ｂは歪みゲージ２の歪みベクトルであり、指示記号cは歪みゲージ３の歪みベクトルであり、指示記号ｄは歪みゲージ４の歪みベクトルを其々表している。
この図から測定点１における４個の歪みゲージ３、３、３、３の合成歪みベクトルは零である事が判る。
この様に、合成歪みベクトルを算出することで、荷重点の位置を予測する事が可能となる。

ただし、本実施例においては、原点からの距離が８ｍｍ以上になると、合成歪みベクトルの大きさは微増あるいは減少する傾向が見られた。
これは、本実施例では、金属薄板２の直径が１５ｍｍに設定している為、荷重点が金属薄板２の直径の外側に位置する場合は、金属薄板２への力の伝達が出来なくなる為である。
従って、本実施例における、荷重点の位置を予測する事が可能な範囲は、金属薄板２の直径１５ｍｍ以内に限定される。

ついで、図９に示す様に、図１のセンサモジュールのカバー体４の上に載置したブロック１３を横方向（矢印方向）に引張った時の歪み値を測定した。
すなわち、ブロック１３の側面を紐でつなぎ、ブロック１３と平行方向に紐を引っ張った時の歪み値を測定した。引張り始めは静摩擦により静止しており、徐々に引張る力を増加させ、ブロック１３が滑り始めたところで、一定の力で引っ張った。

その結果、４箇所の歪みゲージ３、３、３、３の歪み値は、図１０に示す通りであった。
図１０から明らかの様に、歪み値の波形において、静止状態から滑り始めの状態に移行する段階で、歪み値の波形に明らかな変化が認められる為、滑りを検知する事が可能である事が判った。
図１０における４箇所の歪みゲージ３、３、３、３の番号は、図１１に示したの添付位置を示した番号と対応している。

本発明に係るセンサモジュールは、ロボットハンド用センサとして使用できる。

１ ベース基板
２ 金属薄板
３ 歪みゲージ
４ カバー体
５ フレキシブル配線基板
６ ベースシート
７ 位置決め用マーキング
８ ボルト
２１ 凸形状部

Claims (8)

1. ベース基板（１）と、前記ベース基板（１）に固定保持された凸形状部（２１）を有する金属薄板（２）と、前記金属薄板（２）の前記凸形状部（２１）表面に貼着された複数個の歪みゲージ（３）と、前記金属薄板（２）の前記凸形状部（２１）表面を覆う弾性材製カバー体（４）とより成ることを特徴とするセンサモジュール。
2. 前記歪みゲージ（３）が、ベースシート（６）表面に等配に保持された状態で前記金属薄板（２）の前記凸形状部（２１）表面に貼着されていることを特徴とする請求項１記載のセンサモジュール
3. 前記ベースシート（４）に放射状の切込（４１）が存在することを特徴とする請求項２記載のセンサモジュール
4. 前記歪みゲージ（３）が、フレキシブル配線基板（５）に実装された状態で前記金属薄板（２）の前記凸形状部（２１）表面に貼着されていることを特徴とする請求項１記載のセンサモジュール。
5. 前記歪みゲージ（３）が、ベースシート（６）表面に等配に保持された状態でフレキシブル配線基板（５）表面に貼着されていることを特徴とする請求項４記載のセンサモジュール
6. 前記歪みゲージ（３）が、フレキシブル配線基板（５）に直接パターン形成された状態で前記金属薄板（２）の前記凸形状部（２１）表面に貼着されていることを特徴とする請求項１記載のセンサモジュール。
7. フレキシブル配線基板（５）及び前記金属薄板（２）の前記凸形状部（２１）に位置決め用マーキング（７）を設けたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
8. 前記金属薄板（２）の前記凸形状部（２１）が、略半球形状であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のセンサモジュール。

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