JP2013145227A - 力検出センサ、ロボットハンド及びロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の接触力を正確に検出できる力検出センサを実現することを目的とする。
【解決手段】力検出センサ１は、感圧素子２、フレーム６及び接触体７で構成されている。フレーム６は、長穴状の開口部としての第１貫通孔６ａが形成されている。接触体７は、第１貫通孔６ａの長手方向に延びる平板状に形成され、第１貫通孔６ａから一部が突出するように第１貫通孔６ａに挿入され、突出部分に接触する物体から受ける接触力により第１貫通孔６ａに案内されて挿入方向にスライドする。感圧素子２は、接触体７の平板面を貫通するよう第１貫通孔６ａを横断してフレーム６に支持され、スライドする接触体７から受ける押圧力を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体を把持する際に接触力を検出する力検出センサ、力検出センサを備えたロボットハンド、及びロボットハンドを備えたロボット装置に関する。

従来、ロボットハンドのフィンガによる物体の把持力を設定するために、歪ゲージを、フィンガを支持するアームに取り付け、フィンガが物体から受ける接触力を検出するようにしたものが知られている（特許文献１参照）。このアームは、弾性部材で構成されており、フィンガが物体を把持した際に撓むようになっている。このアームに発生した歪みを歪ゲージにより検出し、その検出結果が所定値となるように各フィンガを駆動することで、フィンガによる物体の把持力を設定するようにしている。

特開平５−３０５５０６号公報

しかしながら、物体がフィンガに接触する位置によって歪ゲージに生じる歪みが異なるという問題があった。すなわち、フィンガ先端で物体を把持した場合は、歪ゲージに大きな歪みが発生するため、軽い接触力でも大きく検出される。逆に、同じ力でもフィンガ根元で物体を把持した場合は、歪ゲージに発生する歪みが小さく、フィンガ先端での把持よりも弱い接触力として検出される。つまり、同じ歪みでの把持であっても、フィンガにおける物体の接触位置によって物体を把持する把持力が異なってしまう。この結果、フィンガにおける物体の接触位置がずれた場合に適切な把持力で部品を把持できず、適切な把持力で嵌合できないといった組み付けの不備が生じることがある。

そこで、本発明は、物体の接触位置によらず、正確に物体の接触力を検出することが可能な力検出センサ、力検出センサを備えたロボットハンド、及びロボットハンドを備えたロボット装置を提供することを目的とするものである。

本発明の力検出センサは、長穴状の開口部が形成されたフレームと、前記開口部の長手方向に延びる平板状に形成され、前記開口部から一部が突出するように前記開口部に挿入され、突出部分に接触する物体から受ける接触力により前記開口部に案内されて挿入方向にスライドする接触体と、前記接触体の平板面を貫通するよう前記開口部を横断して前記フレームに支持され、スライドする前記接触体から受ける押圧力を検出する感圧素子と、を備えた、ことを特徴とする。

本発明によれば、接触体の突出部分のいずれの箇所に物体が接触しても、接触体は物体の接触力に対応する移動量で開口部に案内されて挿入方向にスライドする。したがって、物体の接触位置の違いに起因する接触体から受ける押圧力のばらつきは小さくなり、物体の接触力を正確に検出することができる。

本発明の実施形態に係るロボットハンドに適用される力検出センサの概略構成を示す分解斜視図である。 力検出センサの説明図であり、（ａ）は力検出センサの斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す平面に沿う力検出センサの断面図である。 ロボットハンドを備えた組立ロボットの説明図であり、（ａ）は組立ロボットの模式図、（ｂ）は組立ロボットのロボットハンドを側方から見た模式図、（ｃ）はロボットハンドを下方から見た模式図である。 検出部の概略構成を示す説明図である。 ワークの外周をフィンガの先端部で把持している場合の力検出センサの動作を説明するための図である。（ａ）はワークの外周をフィンガの先端部で把持している場合のロボットハンドを側方から見た模式図である。（ｂ）はワークの外周をフィンガの先端部で把持している場合のロボットハンドを下方から見た模式図である。（ｃ）は（ｂ）の点線部分を拡大した模式図である。 ワークの内周をフィンガの根元部で把持している場合の力検出センサの動作を説明するための図である。（ａ）はワークの内周をフィンガの根元部で把持している場合のロボットハンドを側方から見た模式図である。（ｂ）はワークの内周をフィンガの根元部で把持している場合のロボットハンドを下方から見た模式図である。（ｃ）は（ｂ）の点線部分を拡大した模式図である。 本発明の第２実施形態に係る力検出センサの概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る力検出センサの動作を示す説明図である。（ａ）は円環状又は長円筒形のワークを把持した際の動作を示す図である。（ｂ）は円環状のワークを内把持した際の動作を示す図である。（ｃ）は円環状のワークを外把持した際の動作を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る力検出センサにおけるワーク接触力と摩擦力との関係を示す図である。 力検出センサの寸法ａ２，ｂ２およびセンサ中心位置からの距離ｘによって、合計摩擦力がどのように変化するかを示すグラフである。 接触体のセンサ中心位置からの距離（地点）ｘに対する合計摩擦力を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットハンドに適用される力検出センサの概略構成を示す分解斜視図である。図２は、力検出センサの説明図であり、図２（ａ）は、力検出センサの斜視図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す平面Ｐに沿う力検出センサの断面図である。図１に示す接触力検出センサである力検出センサ１は、感圧素子２、フレーム６及び接触体７を備えてモジュール化されている。

フレーム６は、剛性のある材質、即ち剛体からなる。フレーム６は、一対のフレーム半体６１，６２からなり、各フレーム半体６１，６２は、図１中ｘ方向から見て略コ字形状に形成されている。これらフレーム半体６１，６２を図２（ａ）に示すように互いに接合することで、ｚ方向に長い長穴状の開口部（第１開口部）、本実施形態では、第１貫通孔６ａが形成されたフレーム６となる。この第１貫通孔６ａは、フレーム６の中心をｘ方向（貫通方向）に貫通するように直方体形状に形成され、接触体７が挿入される。第１貫通孔６ａは内部の向かい合う壁面が平行になっている。なお、本実施形態では、フレーム６は、第１貫通孔６ａを通る平面で２つに分割されてなる一対のフレーム半体６１，６２で構成されているが、削りだし等により一体形状で制作されていてもよい。

また、フレーム６には、図１に示すように、第１貫通孔６ａと交差する第２開口部として、第１貫通孔６ａと直交してｙ方向（ｘ方向に直交する方向）に延びる第２貫通孔６ｂが形成されている。この第１貫通孔６ａと第２貫通孔６ｂとは、互いに９０度で交差している。第２貫通孔６ｂは、直方体形状の貫通孔である。

接触体７は、剛性のある材質、即ち剛体からなる。接触体７は、平板状、具体的には直方体形状に形成されており、ｘ方向及びｙ方向に直交するｚ方向（長穴となる第１貫通孔６ａの長手方向）に延びて形成されると共に、ｘ方向（第１貫通孔６ａ貫通方向、即ち、接触体７の挿入方向）に延びて形成される。詳述すると、接触体７は、ｘ方向には、接触体７の一部が第１貫通孔６ａから突出する長さに、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、接触体７の両端部７ａ，７ｂが第１貫通孔６ａから突出する長さに形成されている。接触体７の突出量は、１ｍｍ程度であることが好ましい。

また、接触体７は、ｚ方向及びｙ方向には、接触体７の外表面が第１貫通孔６ａの壁面に接触する長さに形成されている。即ち、接触体７は、接触体７が第１貫通孔６ａに沿ってｘ軸の正方向にも負方向にも移動可能なように、第１貫通孔６ａよりもわずかに小さく作られている。これにより、接触体７は、第１貫通孔６ａの壁面に案内されてｘ方向にスライドすることが可能となっている。

また、接触体７には、図１に示すように、その平板面を貫通するように第３貫通孔７ｃが形成されている。具体的には、第３貫通孔７ｃは、接触体７の平板面をｙ方向に貫通するように形成されている。第３貫通孔７ｃは、直方体形状の貫通孔である。

第２貫通孔６ｂと第３貫通孔７ｃとは互いに連通する位置に、同一の断面形状で同一面積に形成されており、第２及び第３貫通孔６ｂ，７ｃには、感圧素子２が挿通される。第２貫通孔６ｂと第３貫通孔７ｃとのｘｚ方向の長さは、同一の長さに設定されている。

感圧素子２は、直方体形状に形成されている。感圧素子２は、感圧体としての平板状の感圧導電性ゴム３と、感圧導電性ゴム３の両平面に接触して固定され、感圧導電性ゴム３を挟み込む一対の電極４，４と、電極４，４を挟み込むように電極４，４に固定された一対の保護部材５，５とを有している。なお、必ずしも感圧導電性ゴムを挟み込むように２つの電極を配置する必要はなく、感圧導電性ゴムの片面に２つの電極を設置してもよい。

感圧導電性ゴム３は、絶縁体であるゴム素材中に炭素や金属などの導電性粒子を均一に練りこんだものであり、圧縮変形によって導電性粒子の密度が上がることにより電気抵抗値が低下するものである。この電気抵抗値の変化を電圧信号として検出することで、接触体７の押圧力、即ち物体の接触力を検出することが可能である。

一対の電極４，４は、感圧導電性ゴム３の電気抵抗値の変化を検出するために設けられている。一対の保護部材５，５は、接触体７によって感圧導電性ゴム３に働くせん断力から感圧導電性ゴム３を保護するためである。なお、本実施形態では感圧体として感圧導電性ゴム３を用いたが、歪ゲージを装着した弾性部材を用いてもよい。

感圧素子２のｘｚ方向の長さは、フレーム６の第２貫通孔６ｂおよび接触体７の第３貫通孔７ｃと同じであるか、接触体７のフレーム６からの突出量を超えない範囲で、それよりも小さくてよい。

感圧素子２は、第２貫通孔６ｂ及び第３貫通孔７ｃに挿通されることで、接触体７の平板面を貫通し、第１貫通孔６ａを横断することになる。そして、感圧素子２の両端部が第２貫通孔６ｂに固定されることで、フレーム６に支持されている。感圧素子２の中央部は、貫通孔７ｃで接触体７に接触する。なお、本実施形態では、第２貫通孔６ｂをフレーム６に形成したが、感圧素子２をフレーム６に支持させることができればよく、貫通孔６ｂの代わりに、第１貫通孔６ａを横断する凹み穴であってもよい。また、フレーム６の内部に第１貫通孔６ａを横断し、感圧素子２を収容可能な収容室を形成してもよい。

本実施形態では、接触体７はフレーム６に対して直接固定されていないため、第１貫通孔６ａに沿ってｘ方向にスライド移動可能であるが、接触体７の貫通孔７ｃには感圧素子２が貫通するように配置されるために実際には接触体７の移動は制限される。つまり、接触体７は、感圧素子２の変形量、即ち感圧導電性ゴム３の圧縮量の分、ｘ方向に移動できるようになっている。なお、接触体７は、第１貫通孔６ａの壁面に接触することでｙｚ方向の移動が規制されている。

接触体７は、そのｘ方向の端部が第１貫通孔６ａから突出する突出部分７ａ，７ｂであるので、この突出部分７ａ，７ｂに物体が接触することにより接触力が作用し、この接触力でｘ方向に第１貫通孔６ａに沿ってスライドするようになっている。

感圧素子２には、物体の接触によりスライドする接触体７により押圧されて押圧力が作用する。感圧素子２は、この押圧力を示す信号、本実施形態では電圧信号を、押圧力（即ち接触力）の検出結果として出力する。

なお、接触体７のｚ方向長さはフレーム６の強度が落ちない範囲で可能な限り大きくとることが望ましい。そのため、本実施形態では、第１貫通孔６ａを長穴形状とし、接触体７を長穴の長手方向に延びるよう形成している。これにより、力検出センサ１の広い範囲で接触力検出が可能となる。

感圧素子２の向きは、図２（ａ）に示すように、感圧導電性ゴム３、電極４、保護部材５がｘ方向（接触体７のスライド方向、即ち接触体７の押圧力が作用する方向）に積層される向きとするのが好ましい。これは接触体７の押圧力に対する感圧導電性ゴム３の感度が最も良い方向のためである。

図３は、ロボットハンドを備えたロボット装置としての組立ロボットの説明図である。図３（ａ）は組立ロボットの模式図であり、図３（ｂ）は組立ロボットのロボットハンドを側方から見た模式図であり、図３（ｃ）はロボットハンドを下方から見た模式図である。

図３（ａ）に示すように、ロボット装置としての組立ロボット１０は、多軸のロボットアーム１１と、ロボットアーム１１の先端に設けられたロボットハンド１２と、を備えている。

ロボットハンド１２は、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、ハンド本体１２Ａと、複数のフィンガ、本実施形態では、３つのフィンガ２０，２０，２０と、を備えている。ロボットハンド１２、即ちハンド本体１２Ａがロボットアーム１１の先端に取り付けられている。これら３つのフィンガ２０，２０，２０のうち少なくとも１つのフィンガ、本実施形態では、全てのフィンガ２０，２０，２０に、力検出センサ１が設けられている。ここで、本実施形態では、力検出センサ１のフレーム６がフィンガ本体と一体に形成されている。

３つのフィンガ２０，２０，２０は、図３（ｃ）に示すように、円周方向に間隔をあけて（本実施形態では等間隔に）ハンド本体１２Ａに配置されており、ハンド本体１２Ａの中心から半径方向に延びるフィンガ支持用シャフト２１によってそれぞれ支持されている。各フィンガ２０の力検出センサ１は、その接触体７の突出方向が半径方向と平行となるように配置されている。本実施形態では、一方の突出部分７ａが内側、他方の突出部分７ｂが外側に向くように配置されている。そして、駆動モータ２２の駆動によって３つのフィンガ２０が同時にシャフト２１に沿ってハンド本体１２Ａの半径方向に移動するように構成されている。駆動モータ２２はモータドライバ２３によって駆動される。力検出センサ１からの信号（電圧信号）は検出部２４によって検出される。この検出部２４にて検出された信号は、アナログ／デジタル変換され、制御部２５に送られる。制御部２５は、得られた信号を基にモータドライバ２３を制御し、力検出センサ１の接触体７が物体から受ける接触力、つまり３つのフィンガ２０により物体を把持する把持力を調整する。本実施形態では、これら力検出センサ１と検出部２４とにより力検出装置３０が構成されている。

検出部２４について詳細に説明する。図４は、検出部２４の概略構成を示す説明図である。検出部２４は、直流電源３１と、感圧素子２（より詳細には感圧導電性ゴム３）に直列接続された抵抗器３２と、抵抗器３２の端子間電圧を検出する不図示の電圧検出器３３と、を有している。直流電源３１は、感圧素子２と抵抗器３２との直列回路に直流電圧を印加する。電圧検出器３３は、感圧素子２の感圧導電性ゴム３の電気抵抗値の変化を、抵抗器３２の端子間電圧の電圧信号として検出する。そして、電圧検出器３３は、電圧信号をＡ／Ｄ変換して制御部２５（図３（ａ）参照）に出力する。なお、抵抗器３２の端子間電圧を検出する代わりに、感圧素子２の電極４，４間の電圧を検出するようにしてもよい。いずれにしても、感圧導電性ゴム３の電気抵抗値の変化を、電圧信号として取得することができる。また、検出部２４の構成はこれに限らず、感圧導電性ゴム３の電気抵抗値の変化を信号として取得することができればいかなる構成であってもよい。

本実施形態では、ロボットアーム１１の先端のロボットハンド１２において、力検出センサ１をフィンガ２０に一体的に組み込んだものとして用いているが、フィンガ２０の一部に力検出センサ１を取り付けたものでもよい。また、ロボットハンド１２のフィンガ２０は３本としたが、２本以上であれば何本でも構わない。また、力検出センサ１を具備したフィンガ２０は最低１本存在すればよい。さらに、各フィンガ２０は各々独立して動作するようにしてもよい。

本実施形態では、物体としての把持対象物（以下、「ワーク」という）をフィンガ２０，２０，２０の閉動作によってワークの外周にフィンガ２０，２０，２０を接触させて把持する「外把持」を可能としている。また、ワークが環状のものであって、ワークの内側にフィンガ２０，２０，２０を挿入し、開動作によってフィンガ２０，２０，２０をワークの内周に接触させて把持する「内把持」を可能としている。したがって、本実施形態では、力検出センサ１の接触体７の両突出部分７ａ，７ｂを半径方向に平行となるように力検出センサ１を配置している。これにより、１つの力検出センサ１で、ワークの内把持及び外把持の際のワークの接触力、つまりワークの把持力を検出することが可能となる。したがって、内把持用と外把持用に別個にセンサを搭載する場合と比較して、センサ数を削減することが可能となり、コストダウンを図ることができると共に、キャリブレーションの時間を短縮することができる。

図５は、ワークＷ１の外周をフィンガ２０の先端部で把持している場合の力検出センサ１の動作を説明するための図である。図５（ａ）はワークＷ１の外周をフィンガ２０の先端部で把持している場合のロボットハンド１２を側方から見た模式図である。フィンガ２０の先端部でワークＷ１を把持すると、接触体７の突出部分７ａに接触力が作用し、接触力により接触体７に感圧素子２を中心とした回転モーメントが発生する。しかし、フレーム６がそのモーメントを受け止めるため、実際には接触体７は回転せず、平行移動、即ちスライドするのみである。その結果、感圧素子２の感圧導電性ゴム３には、接触体７の第３貫通孔７ｃにより押圧されてワークＷ１の接触力と同等の押圧力が作用する。すなわち、接触体７が突出している突出部分７ａであればどこでワークＷ１を把持しても、接触体７とフレーム６による作用で接触力と同等の力が感圧導電性ゴム３に加わる構造となっている。

図５（ｂ）はワークＷ１の外周をフィンガ２０の先端部で把持している場合のロボットハンド１２を下方から見た模式図である。図５（ｃ）は、図５（ｂ）の点線部分を拡大した模式図である。ここで、フィンガ２０から突出している接触体７の２つの突出部分７ａ，７ｂのうちロボットハンド１２の中心方向（半径方向内側）を向いた突出部分７ａにワークＷ１の外周が接触して接触力Ｆ１が加わると、接触体７がフレーム６に対してスライドする。その結果、感圧素子２の感圧導電性ゴム３には保護部材５を介して接触力Ｆ１が伝達され、フレーム６からは反力Ｆ２，Ｆ３が作用する。すなわち、接触体７とフレーム６および保護部材５によって感圧導電性ゴム３には圧縮力が働く。感圧導電性ゴム３が圧縮されると、感圧導電性ゴム３の電気抵抗値は減少するので、この電気抵抗値の減少により、検出結果として検出部２４の電圧検出器３３に出力される電圧信号が感圧導電性ゴム３の電気抵抗値に応じて変化する。つまり、力検出センサ１からは、ワークＷ１の接触力Ｆ１の検出結果である電圧信号が出力される。

図６は、ワークＷ２の内周をフィンガ２０の根元部で把持している場合の力検出センサ１の動作を説明するための図である。図６（ａ）は、ワークＷ２の内周をフィンガ２０の根元部で把持している場合のロボットハンド１２を側方から見た模式図である。フィンガ２０の根元部でワークＷ２を把持すると、先端での把持する時と同様に接触力により接触体７に感圧素子２を中心とした回転モーメントが発生する。しかし、フレーム６がそのモーメントを受けとめるため、実際には接触体７は回転せず、平行移動、即ちスライドするのみである。その結果、感圧素子２の感圧導電性ゴム３には、接触体７の第３貫通孔７ｃにより押圧されてワークＷ２の接触力と同等の押圧力が作用する。すなわち、接触体７が突出している突出部分７ｂであればどこでワークＷ２を把持しても、接触体７とフレーム６による作用で接触力と同等の力が感圧導電性ゴム３に加わる構造となっている。

図６（ｂ）はワークＷ２の内周をフィンガ２０の根元部で把持している場合のロボットハンド１２を下方から見た模式図である。図６（ｃ）は、図６（ｂ）の点線部分を拡大した模式図である。ここで、フィンガ２０から突出している接触体７の２つの突出部分７ａ，７ｂのうちロボットハンド１２の半径方向外側を向いた突出部分７ｂにワークＷ２の内周が接触して接触力Ｆ４が加わると、接触体７がフレーム６に対してスライドする。その結果、感圧素子２の感圧導電性ゴム３には保護部材５を介して接触力Ｆ４が伝達され、フレーム６からは反力Ｆ５，Ｆ６が作用する。すなわち、接触体７とフレーム６および保護部材５によって感圧導電性ゴム３には圧縮力が働く。感圧導電性ゴム３が圧縮されると、感圧導電性ゴム３の電気抵抗値は減少するので、この電気抵抗値の減少により、検出結果として検出部２４に出力される電圧信号が感圧導電性ゴム３の電気抵抗値に応じて変化する。つまり、力検出センサ１からは、ワークＷ２の接触力Ｆ４の検出結果である電圧信号が出力される。

以上、本実施形態によれば、接触体７の突出部分７ａ又は突出部分７ｂのいずれの箇所に物体が接触しても、接触体７は物体の接触力に対応する移動量で第１貫通孔６ａに案内されて挿入方向、即ちロボットハンド１２の半径方向にスライドする。したがって、接触体７の突出部分７ａ又は突出部分７ｂのいずれの箇所に物体が接触しても、感圧素子２が接触体７から受ける押圧力は、接触位置にかかわらずほとんど同じである。これにより、接触位置の違いに起因する、感圧素子２が受ける押圧力のばらつきは小さくなる。感圧素子２は、物体の接触力として接触体７の押圧力を検出しているので、物体の接触力を正確に検出することができる。そして、感圧素子２は、検出結果を電圧信号（アナログ信号）として検出部２４（詳細には電圧検出器３３）に出力する。検出部２４の電圧検出器３３は電圧信号（デジタル信号）を制御部２５に送信するので、制御部２５は、正確な物体の接触力（つまり、把持力）を把握することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る力検出センサについて説明する。上記第１実施形態の構成にて内側、外側のどちら側からのワークの接触も検出可能であるが、本第２実施形態では、更に回転モーメントの影響を除した構成としたものである。図７は、本発明の第２実施形態に係る力検出センサの概略構成を示す分解斜視図である。なお、本第２実施形態の力検出センサ１０１は、上記第１実施形態と同様、ロボットアームの先端に設けられたロボットハンドのフィンガに設けられる。接触力検出センサである力検出センサ１０１は、感圧素子１０２、フレーム１０６及び接触体１０７を備えてモジュール化されている。

フレーム１０６は、剛性のある材質、即ち剛体からなる。フレーム１０６は、一対のフレーム半体１６１，１６２からなり、各フレーム半体１６１，１６２は、図４中ｘ方向から見て略コ字形状に形成されている。これらフレーム半体１６１，１６２を互いに接合することで、ｚ方向に長い長穴状の開口部（第１開口部）、本実施形態では、第１貫通孔１０６ａが形成されたフレーム１０６となる。この第１貫通孔１０６ａは、フレーム１０６の中心をｘ方向（貫通方向）に貫通するように直方体形状に形成され、接触体１０７が挿入される。第１貫通孔１０６ａは内部の向かい合う壁面が平行になっている。なお、本実施形態では、フレーム１０６は、第１貫通孔１０６ａを通る平面で２つに分割されてなる一対のフレーム半体１６１，１６２で構成されているが、削りだし等により一体形状で制作されていてもよい。

また、フレーム１０６には、第１貫通孔１０６ａと交差する第２開口部として、第１貫通孔１０６ａと直交してｙ方向に延びる第２貫通孔１０６ｂが形成されている。この第１貫通孔１０６ａと第２貫通孔１０６ｂとは、互いに９０度で交差している。

接触体１０７は、剛性のある材質、即ち剛体からなる。接触体１０７は、板状に形成されている。接触体１０７は、ｘ方向には、接触体１０７の一部が第１貫通孔１０６ａから突出する長さに、本実施形態では、接触体１０７の両端部１０７ａ，１０７ｂが第１貫通孔１０６ａから突出する長さに形成されている。

また、接触体１０７には、その平板面を貫通するように第３貫通孔１０７ｃが形成されている。具体的には、第３貫通孔１０７ｃは、接触体１０７の平板面をｙ方向に貫通するように形成されている。第３貫通孔１０７ｃは、円柱形状の貫通孔である。

第２貫通孔１０６ｂと第３貫通孔１０７ｃとは互いに連通する位置に形成されており、第２及び第３貫通孔１０６ｂ，１０７ｃには、感圧素子１０２が挿通される。

感圧素子１０２は、感圧体としての平板状の感圧導電性ゴム１０３と、感圧導電性ゴム１０３の両平面に接触して固定され、感圧導電性ゴム１０３を挟み込む一対の平板状の電極１０４，１０４と、を有している。更に、感圧素子１０２は、電極１０４，１０４を挟み込むように電極１０４，１０４に固定された一対の保護部材１０５，１０５を有している。保護部材１０５は、外周が断面円弧形状に形成されており、接触体１０７の第３貫通孔１０７ｃの壁面に面接触する。感圧導電性ゴム１０３及び電極１０４は、接触体１０７の第３貫通孔１０７ｃの壁面に非接触状態である。なお、必ずしも感圧導電性ゴムを挟み込むように２つの電極を配置する必要はなく、感圧導電性ゴムの片面に２つの電極を設置してもよい。

感圧導電性ゴム１０３は、絶縁体であるゴム素材中に炭素や金属などの導電性粒子を均一に練りこんだものであり、圧縮変形によって導電性粒子の密度が上がることにより電気抵抗値が低下するものである。この電気抵抗値の変化を電圧信号として検出することで、接触体７の押圧力、即ち物体の接触力を検出することが可能である。

一対の電極１０４，１０４は、感圧導電性ゴム１０３の電気抵抗値の変化を検出するために設けられている。一対の保護部材１０５，１０５は、接触体１０７によって感圧導電性ゴム１０３に働くせん断力から感圧導電性ゴム１０３を保護するためである。なお、本実施形態では感圧体として感圧導電性ゴム１０３を用いたが、歪ゲージを装着した弾性部材を用いてもよい。

感圧素子１０２は、第２貫通孔１０６ｂ及び第３貫通孔１０７ｃに挿通されることで、接触体１０７の平板面を貫通し、第１貫通孔１０６ａを横断することになる。そして、感圧素子１０２の両端部が第２貫通孔１０６ｂに固定されることで、フレーム１０６に支持されている。感圧素子１０２の中央部は、貫通孔１０７ｃで接触体１０７に接触する。なお、本実施形態では、第２貫通孔１０６ｂをフレーム１０６に形成したが、感圧素子１０２をフレーム１０６に支持させることができればよく、貫通孔１０６ｂの代わりに、第１貫通孔１０６ａを横断する凹み穴であってもよい。また、フレーム１０６の内部に第１貫通孔１０６ａを横断し、感圧素子１０２を収容可能な収容室を形成してもよい。

本実施形態では、接触体１０７はフレーム１０６に対して直接固定されておらず、感圧素子１０２に支持されている。このため、第１貫通孔１０６ａに沿ってｘ方向にスライド移動可能であるが、接触体１０７の貫通孔１０７ｃには感圧素子１０２が貫通するように配置されるために実際には接触体１０７の移動は制限される。つまり、接触体１０７は、感圧素子１０２の変形量、即ち感圧導電性ゴム１０３の圧縮量の分、ｘ方向に移動できるようになっている。なお、接触体１０７は、第１貫通孔１０６ａの壁面に接触することでｙｚ方向の移動が規制される。

接触体１０７は、そのｘ方向の端部が第１貫通孔１０６ａから突出する突出部分１０７ａ，１０７ｂであるので、この突出部分１０７ａ，１０７ｂにおける端面であるワーク接触面１０７ｄに物体が接触することにより接触力が作用する。接触体１０７は、この接触力でｘ方向に第１貫通孔１０６ａに沿ってスライドするようになっている。

感圧素子１０２には、物体の接触によりスライドする接触体１０７により押圧されて押圧力が作用する。感圧素子１０２は、この押圧力を示す信号、本実施形態では電圧信号を、押圧力（即ち接触力）の検出結果として出力する。

感圧素子１０２の向きは、感圧導電性ゴム１０３、電極１０４、保護部材１０５がｘ方向（接触体１０７のスライド方向、即ち接触体１０７の押圧力が作用する方向）に積層される向きとするのが好ましい。これは接触体１０７の押圧力に対する感圧導電性ゴム１０３の感度が最も良い方向のためである。

ここで、接触体１０７は、第１貫通孔１０６ａの壁面に対して隙間をあけた状態で第１貫通孔１０６ａに挿通されている。本第２実施形態では、接触体１０７の第３貫通孔１０７ｃを円柱形状（断面円形状）とし、保護部材１０５の断面形状の一部を円に沿った形状にすることにより、接触体１０７を感圧素子１０２のまわりに隙間の分、回転可能としている。これにより、ワークの接触による回転モーメント成分を逃がすようにして、接触力の検出精度を向上させることができる。

接触体１０７は、フレーム１０６の第１貫通孔１０６ａの壁面に接触した時点で回転が規制され、接触力によって発生した回転モーメントは、フレーム１０６にて受けられる。よって、感圧素子１０２に回転モーメントは作用せず、上記第１実施形態と比較して接触力の検出精度が更に向上する。

接触体１０７のワーク接触面１０７ｄは、感圧素子１０２の直径よりも外側の部分において、接触体１０７が回転してフレーム１０６に接触すると、第１貫通孔１０６ａの貫通方向（ｘ方向）に垂直なｚｙ平面に対し、平行となる部分を有する。つまり、接触体１０７は、フレーム１０６の第１貫通孔１０６ａの壁面に接触して回転が規制されたときに、ワークが接触する部分が、挿入方向であるｘ方向に対して垂直な平面となるように形成されている。これは接触体１０７が回転した際のワーク把持の安定を考慮してのものである。接触体１０７は、第１貫通孔１０６ａの壁面に接触して回転が規制された状態で、接触力によりｘ方向にスライドする。

ここで、接触体１０７は、回転した際にフレーム１０６の第１貫通孔１０６ａの壁面に面接触可能に形成されている。具体的には、第１貫通孔１０６ａの貫通方向（ｘ方向）及び第２貫通孔１０６ｂの貫通方向（ｙ方向）に対して直交するｚ方向に垂直な第１貫通孔１０６ａの壁面に対向する側の接触体１０７の面１０７ｅが、接触体１０７が回転した際に面接触する。

接触体１０７が回転してフレーム１０６に接触する部分である面１０７ｅには潤滑部材が施されている。これは、摩擦力によるワーク接触力の誤差を小さくするためである。潤滑部材は、できるだけ摩擦係数の小さなものが望ましい。本実施形態では、例えばテフロン（登録商標）を用いている。

保護部材１０５の外周は、接触体１０７の開口部と同様の断面円形状をしており、接触体１０７が保護部材１０５の外周に沿って回転可能になっている。感圧素子１０２は、接触体１０７の回転によって方向が変わらないようにフレーム１０６に固定される。本実施形態では、貫通孔１０６ｂの断面形状を、感圧素子１０２の断面形状と同一形状、つまり円形から一部切り欠いた形状とすることにより感圧素子１０２の回転を防止している。

本実施形態の力検出センサ１０１の動作を図８に示す。図８（ａ）のように、センサ中央部での把持、もしくは接触体１０７のワーク接触面１０７ｄの長さよりも長い長円筒形状のワークＷ１を把持した場合は、接触体１０７は回転せず、ワークＷ１の接触力Ｆ１１をそのまま感圧素子１０２に伝達する。

センサ中心部からｘの距離で円環状のワークＷ１を内把持した場合を図８（ｂ）に示す。センサ中心部からオフセットした位置でワークＷ１を把持した場合、接触体１０７にはワーク接触力Ｆ１２によって回転モーメントが生じる。しかし接触体１０７は感圧素子１０２を中心としてｙ軸まわりに回転することでこのモーメント成分を受け流し、感圧素子１０２にそれを伝達しない。この時、感圧素子１０２で検出される力は、ワーク接触力Ｆ１２から接触体１０７とフレーム１０６間に生じる摩擦力ｕＮを引いたものとなる。この誤差分については後述する。

図８（ｃ）は同様に円環状ワークＷ２をセンサ中心部からオフセットした位置で外把持した場合の動きを示す。接触体１０７が回転することでワーク接触力Ｆ１５のモーメント成分を感圧素子１０２に伝達しないようになっている。

図９は、力検出センサ１０１における、ワーク接触力Ｆと、摩擦力ｕＮの関係を示す図である。接触体１０７は、フレーム１０６によって回転が制限されると、ワークの接触力によってフレーム１０６の第１貫通孔１０６ａに沿って押し込まれていく。

接触体１０７は、フレーム１０６に接触する部分がフレーム１０６の第１貫通孔１０６ａと平行になるように角度がつけられている。これによって、接触体１０７の押し込みによる接触体回転角度θｔの変化を防ぐ。

また、接触体１０７が回転しない程度の微小力の場合は、感圧素子１０２に接触力がそのまま印加される。

図９において、点ｔにおけるモーメントをＭｔとすると、

となる。

また、点ｔにおいてフレーム１０６を押す力をＮとすると、

となる。

点ｔにおける摩擦力ｕＮは、

となる。ここで、

を代入すると、

となる。

フレーム１０６と接触体１０７との接触は、点ｔ及び点ｓの２点なので、感圧素子２で検出される力Ｆｓは、

で表される。この式から、摩擦力ｕＮは、力検出センサ１０１の寸法ａ２，ｂ２および接触体１０７上のセンサ中心位置からの距離ｘ、接触力Ｆに依存する。センサ構造から、この接触は、点ｔと点ｓの２ヶ所で発生するので、実際の摩擦力はこの２倍となる。

図１０は、力検出センサ１０１の寸法ａ２，ｂ２およびセンサ中心位置からの距離ｘによって、合計摩擦力がどのように変化するかを示すグラフである。図１１は、接触体１０７のセンサ中心位置からの距離（地点）ｘに対する合計摩擦力を示すグラフである。

図１０のグラフから、合計摩擦力は潤滑部材にテフロン（登録商標）を使用した場合、ａ２＝ｂ２のとき、ワークの接触力に対し最大４％となる。ｂ２を延長するほど摩擦力ｕＮによる誤差は小さくなるが、同時にフレーム１０６の剛性に問題が出てくるため、力検出センサ１０１のｂ１，ｂ２長さは、想定されるワークの長さに適し、かつ剛性が下がらない範囲でできる限り長く取ると良い。図１１記載の寸法で作成した力検出センサ１０１の場合では、摩擦力ｕＮによる誤差はグラフから元のワーク接触力Ｆに対して最大で０．８％となる。また、後述する接触力補正方法を用いることにより摩擦力による誤差は最大でワーク接触力の０．３３％に抑えることが可能である。

次に接触力の補正について説明する。接触体１０７が回転せず、フレーム１０６に接触していない場合は、接触力がそのまま感圧素子１０２にて検出されていると判断し、補正処理を行わない。接触体１０７が回転し、フレーム１０６に接触した場合はモーメントによって摩擦力が発生していると判断し、補正処理を行う。すなわち、検出された接触力は、元の接触力から摩擦によって図１１のオフセット分だけ減っているものとし、逆算にて元の接触力を求める。ここでオフセットは、ｘが感圧素子１０２の半径Ｒｓ以上かつ接触体１０７の長さｂ２以下である時に、その範囲で変化する摩擦力の中央値とする。ｘが感圧素子１０２の半径Ｒｓより小さい場合は、接触体１０７は回転しないため、補正量は０となる。この補正方法では、ワークの接触位置ｘを検出する必要がない代わりにワーク接触力Ｆを高精度に補正することはできないが、補正しない場合と比較して誤差を低減できる。また、ｘが既知である場合はそれを基に図１１から補正を行ってもよい。この補正処理においては、接触体１０７が回転してフレーム１０６に接触しているか否かを検出する必要があるため、接触体回転検出用センサ１１６をフレーム１０６に設置する必要がある。接触体回転検出用センサ１１６は、電気的接点を用いてもよいし、機械式のスイッチを用いてもよい。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

上記実施形態では、長穴状の開口部が貫通孔６ａ，１０６ａである場合について説明したが、貫通していない凹み穴であってもよく、その場合には力検出センサは、「内把持」及び「外把持」のいずれか一方のみ、物体の接触力を検出することができる。

１…力検出センサ、２…感圧素子、６…フレーム、６ａ…第１貫通孔（開口部）、７ａ，７ｂ…突出部分、１０…組立ロボット（ロボット装置）、１１…ロボットアーム、１２…ロボットハンド、２０…フィンガ

Claims (7)

1. 長穴状の開口部が形成されたフレームと、
   前記開口部の長手方向に延びる平板状に形成され、前記開口部から一部が突出するように前記開口部に挿入され、突出部分に接触する物体から受ける接触力により前記開口部に案内されて挿入方向にスライドする接触体と、
   前記接触体の平板面を貫通するよう前記開口部を横断して前記フレームに支持され、スライドする前記接触体から受ける押圧力を検出する感圧素子と、を備えた、
   ことを特徴とする力検出センサ。
2. 前記開口部は、貫通孔であり、
   前記接触体は、前記接触体の両端部が前記貫通孔から突出するように前記貫通孔に挿通されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の力検出センサ。
3. 前記接触体は、平板面に断面円形状の貫通孔が形成され、前記感圧素子を中心として前記感圧素子に回転可能に支持されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の力検出センサ。
4. 前記接触体は、前記フレームの前記開口部の壁面に接触して回転が規制されることを特徴とする請求項３に記載の力検出センサ。
5. 前記接触体は、前記フレームの前記開口部の壁面に接触して回転が規制されたときに、物体が接触する部分が、前記挿入方向に対して垂直な平面となるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の力検出センサ。
6. 物体を把持する複数のフィンガと、
   前記複数のフィンガのうち少なくとも１つのフィンガに設けられた、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の力検出センサと、を備えた、
   ことを特徴とするロボットハンド。
7. ロボットアームと、
   前記ロボットアームの先端に設けられた請求項６に記載のロボットハンドと、を備えた、
   ことを特徴とするロボット装置。

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