JP2020118642A - 力覚センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】力覚センサの薄型化を図ることが容易な構造を提供する。【解決手段】複数の第1電極13は、弾性部16を挟んで複数の第2電極23と積層方向DRstにそれぞれ対向しており、弾性部16は、複数の第1電極13と複数の第2電極23との間を電気的に絶縁している。そして、力覚センサ10が設けられた部材間に掛かる部材間荷重は、弾性部16の弾性変形に伴う複数の第1電極13と複数の第2電極23との間の電気的な変化に基づいて検出される。従って、複数の第1電極13と複数の第2電極23との間の電気的な絶縁は弾性部16によって保障され、力覚センサ10に高剛性の部材を含める必要がない。そのため、力覚センサ10において厚みを要する部材を必要とすることなく、その力覚センサ10を、上記部材間荷重の検出可能な構成にすることができる。このようなことから、力覚センサ10の薄型化を図ることが容易である。【選択図】図3
Description
本発明は、力覚センサに関するものである。
例えば特許文献1に記載された力覚センサが従来から知られている。この特許文献1に記載された力覚センサは、導電性弾性体からなる円形の検出リングと、その検出リングの下方に配置された円盤状の支持体と、検出リングの上方に配置されたワッシャ状の受力体とを有している。その検出リングと支持体と受力体は何れも、Z軸が中心軸となるように配置されている。また、検出リングの外周面は、X軸上に配置された接続部材により支持体に接続されると共に、Y軸上に配置された接続部材により受力体に接続されている。
このように構成された力覚センサでは、その力覚センサの支持体が固定された状態で受力体に力やモーメントが作用すると、検出リングが歪みを生じる。そして、その支持体上に設けられた8組の電極と検出リングの対向面とから構成される8組の容量素子の容量値に基づき、力およびモーメントが検出される。
特許文献1の力覚センサにおいて、8組の電極が設けられた支持体と、その支持体に対し検出リングを挟んで配置された受力体は、検出リングと比較して高剛性の部材として構成されている。そして、特許文献1の力覚センサは、受力体に作用した力やモーメントに応じて専ら検出リングが弾性変形するように構成されている。
そのため、支持体と受力体はそれぞれ、高い剛性を得るために或る程度の厚みを必要とする。従って、特許文献1に記載された力覚センサの構造では、力覚センサの薄型化に限界があった。
これに対し、一般的に力覚センサは薄型化されるほど、その力覚センサの配置等の面で力覚センサの使用自由度が向上するというメリットがあり、力覚センサの薄型化が望まれている。発明者の詳細な検討の結果、以上のようなことが見出された。
本発明は上記点に鑑みて、力覚センサの薄型化を図ることが容易な構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の力覚センサは、
第1部材(71)と第2部材(72)との間に設けられ、第1部材と第2部材との間に作用する部材間荷重(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)を検出するための力覚センサであって、
所定の積層方向(DRst)の一方側に設けられ第1部材に固定される第1一方面(121)と積層方向の他方側に設けられた第1他方面(122)とを有する第1基板部(12)、および、第1他方面に沿って並んで配置されその第1他方面に固定された複数の第1電極(13)を有する第1基板電極部(11)と、
第1基板電極部に対し積層方向の他方側に積層されて固定され、弾力性を有する弾性部(16)と、
積層方向の一方側に設けられた第2一方面(221)と積層方向の他方側に設けられ第2部材に固定される第2他方面(222)とを有する第2基板部(22)、および、第2一方面に沿って並んで配置されその第2一方面に固定された複数の第2電極(23)を有し、弾性部に対し積層方向の他方側に積層されて固定された第2基板電極部(21)とを備え、
複数の第1電極は、弾性部を挟んで複数の第2電極と積層方向にそれぞれ対向し、
弾性部は、複数の第1電極と複数の第2電極との間を絶縁し、
部材間荷重は、弾性部の弾性変形に伴う複数の第1電極と複数の第2電極との間の電気的な変化に基づいて検出される。
第1部材(71)と第2部材(72)との間に設けられ、第1部材と第2部材との間に作用する部材間荷重(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)を検出するための力覚センサであって、
所定の積層方向(DRst)の一方側に設けられ第1部材に固定される第1一方面(121)と積層方向の他方側に設けられた第1他方面(122)とを有する第1基板部(12)、および、第1他方面に沿って並んで配置されその第1他方面に固定された複数の第1電極(13)を有する第1基板電極部(11)と、
第1基板電極部に対し積層方向の他方側に積層されて固定され、弾力性を有する弾性部(16)と、
積層方向の一方側に設けられた第2一方面(221)と積層方向の他方側に設けられ第2部材に固定される第2他方面(222)とを有する第2基板部(22)、および、第2一方面に沿って並んで配置されその第2一方面に固定された複数の第2電極(23)を有し、弾性部に対し積層方向の他方側に積層されて固定された第2基板電極部(21)とを備え、
複数の第1電極は、弾性部を挟んで複数の第2電極と積層方向にそれぞれ対向し、
弾性部は、複数の第1電極と複数の第2電極との間を絶縁し、
部材間荷重は、弾性部の弾性変形に伴う複数の第1電極と複数の第2電極との間の電気的な変化に基づいて検出される。
このようにすれば、複数の第1電極と複数の第2電極との間の電気的な絶縁は弾性部によって保障され、力覚センサに高剛性の部材を含める必要がない。そのため、力覚センサにおいて厚みを要する部材を必要とすることなく、その力覚センサを、上記部材間荷重の検出可能な構成にすることができる。従って、この力覚センサであれば、力覚センサの薄型化を図ることが容易である。
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
以下、図面を参照しながら、実施形態を説明する。なお、後述する他の実施形態を含む以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態の力覚センサ10は、例えばロボット70のマニュピュレーション作業においてロボット70の所定の構成部分に生じる荷重の検出に用いられる。本実施形態では、力覚センサ10は、第1部材としてのロボットアーム71と、第2部材としてのロボットハンド72との間に設けられ、そのロボットアーム71とロボットハンド72とにそれぞれ固定される。
図1に示すように、本実施形態の力覚センサ10は、例えばロボット70のマニュピュレーション作業においてロボット70の所定の構成部分に生じる荷重の検出に用いられる。本実施形態では、力覚センサ10は、第1部材としてのロボットアーム71と、第2部材としてのロボットハンド72との間に設けられ、そのロボットアーム71とロボットハンド72とにそれぞれ固定される。
また、力覚センサ10が搭載されるロボット70は、ロボットアーム71とロボットハンド72とのほかに、ロボットアーム71とロボットハンド72との間において力覚センサ10と並列に配置された力伝達部73を有している。
この力伝達部73は、例えば力覚センサ10よりも高い剛性の部材で構成されている。そして、力伝達部73は、ロボットアーム71とロボットハンド72との間で力を伝達する役割を果たす。従って、ロボットアーム71とロボットハンド72との間で力が伝達される際には力伝達部73が僅かに歪むので、力覚センサ10は、その力伝達部73の歪みに伴って、ロボットアーム71とロボットハンド72との間で伝達される力を検出する。その力覚センサ10が検出する力とは、例えば、引張り力、圧縮力、モーメントなどである。
図2および図3に示すように、本実施形態の力覚センサ10は、XYZ三次元直交座標系における各座標軸方向の力Fx、Fy、Fzと、各座標軸まわりのモーメントMx、My、Mzとをそれぞれ検出する。
すなわち、力覚センサ10は、ロボットアーム71とロボットハンド72との間に作用する部材間荷重を検出するためのセンサであると言える。そして、その部材間荷重とは、ロボットアーム71とロボットハンド72との間に作用する一軸線方向の力と一軸線まわりのモーメントとのうちの少なくとも何れかである。
この場合、本実施形態では例えば、X軸とY軸とZ軸とのそれぞれが一軸線に該当する。そして、X軸方向の力FxとY軸方向の力FyとZ軸方向の力FzとX軸まわりのモーメントMxとY軸まわりのモーメントMyとZ軸まわりのモーメントMzとのそれぞれが部材間荷重に該当する。要するに、本実施形態の力覚センサ10は6軸力覚センサである。なお、図2および図3に示す原点Oは、XYZ三次元直交座標系の原点である。また、X軸方向の力FxとY軸方向の力FyとZ軸方向の力Fzとを総称して、軸方向力Fx、Fy、Fzと称する場合がある。
本実施形態の力覚センサ10は、静電容量の変化に基づいて部材間荷重を検出する静電容量型力覚センサである。図3および図4に示すように、力覚センサ10は、第1基板電極部11と弾性部16と第2基板電極部21とを備えている。そして、力覚センサ10は、その第1基板電極部11と弾性部16と第2基板電極部21とが所定の積層方向DRstに積層された構造になっている。なお、その積層方向DRstはZ軸の軸方向に一致する必要はないが、便宜上、その積層方向DRstをZ軸の軸方向に一致させて本実施形態の説明を行う。
例えば、第1基板電極部11と弾性部16と第2基板電極部21は、例えばZ軸を中心とし互いに略同じ外径を有する円形状になっている。第1基板電極部11は、積層方向DRstに厚みを有するフィルム状に形成されており、可撓性を有している。第1基板電極部11は、フィルム状の第1基板部12と、複数の第1電極13とを有している。
第1基板部12は、積層方向DRstの一方側に設けられた第1一方面121と、積層方向DRstの他方側に設けられた第1他方面122とを有している。その第1一方面121は、ロボットアーム71(図1参照)に固定されている。例えば、第1一方面121はロボットアーム71に対し、接着等によって固定されている。また、第1基板部12は、例えば樹脂フィルムで構成された不導体である。
複数の第1電極13は、第1他方面122に沿って並んで配置され、その第1他方面122にそれぞれ固定されている。その複数の第1電極13は導電性を有し、例えば炭素膜で構成されている。すなわち、第1電極13の形状もフィルム状(別言すれば薄膜状)である。本実施形態における複数の第1電極13は、第1他方面122上に印刷されることによって形成されている。
また、複数の第1電極13は、Z軸を中心とした周方向に相互間隔を空けつつ並んで配置されている。また、第1基板部12は不導体であるので、複数の第1電極13が第1基板部12を介して短絡することはない。
弾性部16は、不導体(言い換えれば、誘電体)であるゴム製であり、弾力性を有している。例えば弾性部16は、アクリルゴムまたはシリコンゴムで構成されている。また、弾性部16は、積層方向DRstに厚みを有するフィルム状に形成されているので、弾力性に加え可撓性も有している。
弾性部16は、第1基板電極部11に対し積層方向DRstの他方側に積層されて固定されている。例えば、弾性部16は第1基板電極部11に対し、接着等によって固定されている。そのため、複数の第1電極13はそれぞれ、弾性部16に対して密着している。
第2基板電極部21は、上記の第1基板電極部11と同じ部品であるが、第1基板電極部11に対し積層方向DRstに反転させた状態で力覚センサ10に用いられる。
すなわち、第2基板電極部21は、積層方向DRstに厚みを有するフィルム状に形成されており、可撓性を有している。第2基板電極部21は、フィルム状の第2基板部22と、複数の第2電極23とを有している。第2電極23の数は第1電極13と同数であり、本実施形態では、第1電極13と第2電極23は4つずつ設けられている。
第2基板部22は、積層方向DRstの一方側に設けられた第2一方面221と、積層方向DRstの他方側に設けられた第2他方面222とを有している。その第2他方面222は、ロボットハンド72(図1参照)に固定されている。例えば、第2他方面222は、ロボットハンド72に対し、接着等によって固定されている。また、第2基板部22は、例えば樹脂フィルムで構成された不導体である。
複数の第2電極23は、第2一方面221に沿って並んで配置され、その第2一方面221にそれぞれ固定されている。その複数の第2電極23は導電性を有し、例えば炭素膜で構成されている。すなわち、第2電極23の形状もフィルム状(別言すれば薄膜状)である。本実施形態における複数の第2電極23は、第2一方面221上に印刷されることによって形成されている。
また、複数の第2電極23は、Z軸を中心とした周方向に相互間隔を空けつつ並んで配置されている。また、第2基板部22は不導体であるので、複数の第2電極23が第2基板部22を介して短絡することはない。
このように構成された第2基板電極部21は、弾性部16に対し積層方向DRstの他方側に積層されて固定されている。例えば、第2基板電極部21は弾性部16に対し、接着等によって固定されている。そのため、複数の第2電極23はそれぞれ、弾性部16に対して密着している。
図1および図3に示すように、複数の第1電極13は、単一の部品である弾性部16を挟んで複数の第2電極23と積層方向DRstにそれぞれ対向している。そして、誘電体である弾性部16は、複数の第1電極13と複数の第2電極23との間を電気的に絶縁している。従って、複数の第1電極13と複数の第2電極23は、1つの第1電極13と1つの第2電極23とからなる電極対26(図1参照)を複数構成しており、その複数の電極対26はそれぞれ、静電容量を生じる静電容量素子として機能する。すなわち、各第1電極13と各第2電極23は、互いに対向する第1電極13と第2電極23との間の電位差に応じて電荷を貯めることができる。本実施形態では、第1電極13と第2電極23は4つずつ設けられているので、その電極対26の数は4対である。
本実施形態の力覚センサ10は、以上説明したように構成されているので、ロボットアーム71とロボットハンド72との間に軸方向力Fx、Fy、FzとモーメントMx、My、Mzとの何れかが生じると、それに応じて弾性部16に弾性変形が生じる。そして、弾性部16が弾性変形すれば、それに応じて、第1電極13と第2電極23との相互間隔など、第1電極13と第2電極23との相対的な位置関係または姿勢も変化する。更に、その第1電極13と第2電極23との相対的な位置関係または姿勢の変化は、その第1電極13と第2電極23との間の電気的な変化を生じる。
従って、ロボットアーム71とロボットハンド72との間の部材間荷重としての軸方向力Fx、Fy、FzおよびモーメントMx、My、Mzはそれぞれ、弾性部16の弾性変形に伴う複数の第1電極13と複数の第2電極23との間の電気的な変化に基づいて検出される。但し、本実施形態において具体的に、その弾性部16の弾性変形に伴う複数の第1電極13と複数の第2電極23との間の電気的な変化とは、弾性部16の弾性変形に伴う複数の第1電極13と複数の第2電極23との間の静電容量の変化である。
次に、本実施形態の力覚センサ10を用いて部材間荷重Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを検出する検出方法の概略について説明する。具体的に、力覚センサ10は電子制御装置へ電気的に接続されて使用され、複数の電極対26の各静電容量を表す検出信号をその電子制御装置へ出力する。そして、その電子制御装置は、電極対26の各静電容量に基づいて各部材間荷重Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを知得する。
そのため、各部材間荷重Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzと電極対26の各静電容量との関係である検出用マップが予め実験的に求められ、電子制御装置に予め記憶されている。その検出用マップは、例えば6つの部材間荷重Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを個別に外部から印加しロボットアーム71とロボットハンド72との間に作用させ、そのときの電極対26の各静電容量と部材間荷重とを逐次記憶することによって作成される。そして、電子制御装置は、その検出用マップを用いて、電極対26の各静電容量に基づいて各部材間荷重Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzを知得する。
次に、本実施形態の力覚センサ10が奏する効果について説明する。上述したように、本実施形態によれば、複数の第1電極13は、弾性部16を挟んで複数の第2電極23と積層方向DRstにそれぞれ対向しており、弾性部16は、複数の第1電極13と複数の第2電極23との間を電気的に絶縁している。そして、部材間荷重としての軸方向力Fx、Fy、FzおよびモーメントMx、My、Mzはそれぞれ、弾性部16の弾性変形に伴う複数の第1電極13と複数の第2電極23との間の電気的な変化に基づいて検出される。
従って、複数の第1電極13と複数の第2電極23との間の電気的な絶縁は弾性部16によって保障され、力覚センサ10に高剛性の部材を含める必要がない。そのため、力覚センサ10において厚みを要する部材を必要とすることなく、その力覚センサ10を、上記部材間荷重の検出可能な構成にすることができる。
このようなことから、本実施形態の力覚センサ10であれば、力覚センサ10の薄型化を図ることが容易である。例えば、積層方向DRstにおける本実施形態の力覚センサ10の厚み、すなわち図1に示す寸法Tzは0.3mm程度であり、力覚センサ10の厚みを1mm以下にすることが可能である。
また、本実施形態によれば、弾性部16の弾性変形に伴う複数の第1電極13と複数の第2電極23との間の電気的な変化とは、弾性部16の弾性変形に伴う複数の第1電極13と複数の第2電極23との間の静電容量の変化である。従って、その静電容量の変化を示す力覚センサ10からの検出信号を用いて上記部材間荷重を容易に知得することが可能である。
(他の実施形態)
(1)上述の実施形態では図1に示すように、力覚センサ10は、例えばロボット70において、第1部材としてのロボットアーム71と、第2部材としてのロボットハンド72との間に設けられるが、これは一例である。その力覚センサ10の用途はロボット70に限らない。従って、第1部材はロボットアーム71である必要はなく、第2部材はロボットハンド72である必要もない。
(1)上述の実施形態では図1に示すように、力覚センサ10は、例えばロボット70において、第1部材としてのロボットアーム71と、第2部材としてのロボットハンド72との間に設けられるが、これは一例である。その力覚センサ10の用途はロボット70に限らない。従って、第1部材はロボットアーム71である必要はなく、第2部材はロボットハンド72である必要もない。
(2)上述の実施形態では図2および図3に示すように、力覚センサ10は、X軸方向の力FxとY軸方向の力FyとZ軸方向の力FzとX軸まわりのモーメントMxとY軸まわりのモーメントMyとZ軸まわりのモーメントMzとをそれぞれ検出することができる。しかしながら、これは一例であり、力覚センサ10は、それら6つの部材間荷重Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mzのうちの少なくとも1つを検出できるだけでも差し支えない。
(3)上述の実施形態では、図3に示す第1電極13および第2電極23は、印刷によって形成された炭素膜であるが、これは一例である。第1電極13および第2電極23の厚みが許容されるのであれば、その第1電極13および第2電極23は、金属箔などであっても差し支えない。
(4)上述の実施形態では図3および図4に示すように、第1電極13は4つ設けられているが、2つ、3つ、または5つ以上であっても差し支えない。このことは、第2電極23の数についても同様である。
(5)上述の実施形態では図3および図4に示すように、複数の第1電極13および複数の第2電極23は、Z軸を中心とした周方向に相互間隔を空けつつ並んで配置されているが、これは一例である。その第1電極13および第2電極23の配置はこれに限らず、任意の位置へ配置されて差し支えない。
(6)上述の実施形態では図3に示すように、弾性部16は、部品単体としては、均一な厚みのフィルム状であるが、その弾性部16は、部品単体として均一な厚みである必要はない。例えば、フィルム状の誘電体を部分的に積層して接着することで、弾性部16の厚みを部分的に大きくすることができる。
(7)なお、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。また、上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
また、上記実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。
(まとめ)
上記実施形態の一部または全部で示された第1の観点によれば、力覚センサは第1部材と第2部材との間に設けられ、その第1部材と第2部材との間に作用する部材間荷重を検出するためのセンサである。その力覚センサにおいて、複数の第1電極は、弾性部を挟んで複数の第2電極と積層方向にそれぞれ対向し、弾性部は、複数の第1電極と複数の第2電極との間を絶縁する。そして、部材間荷重は、弾性部の弾性変形に伴う複数の第1電極と複数の第2電極との間の電気的な変化に基づいて検出される。
上記実施形態の一部または全部で示された第1の観点によれば、力覚センサは第1部材と第2部材との間に設けられ、その第1部材と第2部材との間に作用する部材間荷重を検出するためのセンサである。その力覚センサにおいて、複数の第1電極は、弾性部を挟んで複数の第2電極と積層方向にそれぞれ対向し、弾性部は、複数の第1電極と複数の第2電極との間を絶縁する。そして、部材間荷重は、弾性部の弾性変形に伴う複数の第1電極と複数の第2電極との間の電気的な変化に基づいて検出される。
また、第2の観点によれば、弾性部の弾性変形に伴う複数の第1電極と複数の第2電極との間の電気的な変化とは、弾性部の弾性変形に伴う複数の第1電極と複数の第2電極との間の静電容量の変化である。従って、その静電容量の変化を示す検出信号を用いて上記部材間荷重を容易に知得することが可能である。
また、第3の観点によれば、弾性部は、積層方向に厚みを有するフィルム状を成している。
10 力覚センサ
11 第1基板電極部
12 第1基板部
13 第1電極
16 弾性部
21 第2基板電極部
22 第2基板部
23 第2電極
71 ロボットアーム(第1部材)
72 ロボットハンド(第2部材)
11 第1基板電極部
12 第1基板部
13 第1電極
16 弾性部
21 第2基板電極部
22 第2基板部
23 第2電極
71 ロボットアーム(第1部材)
72 ロボットハンド(第2部材)
Claims (3)
- 第1部材(71)と第2部材(72)との間に設けられ、前記第1部材と前記第2部材との間に作用する部材間荷重(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)を検出するための力覚センサであって、
所定の積層方向(DRst)の一方側に設けられ前記第1部材に固定される第1一方面(121)と前記積層方向の他方側に設けられた第1他方面(122)とを有する第1基板部(12)、および、前記第1他方面に沿って並んで配置され該第1他方面に固定された複数の第1電極(13)を有する第1基板電極部(11)と、
前記第1基板電極部に対し前記積層方向の前記他方側に積層されて固定され、弾力性を有する弾性部(16)と、
前記積層方向の前記一方側に設けられた第2一方面(221)と前記積層方向の前記他方側に設けられ前記第2部材に固定される第2他方面(222)とを有する第2基板部(22)、および、前記第2一方面に沿って並んで配置され該第2一方面に固定された複数の第2電極(23)を有し、前記弾性部に対し前記積層方向の前記他方側に積層されて固定された第2基板電極部(21)とを備え、
前記複数の第1電極は、前記弾性部を挟んで前記複数の第2電極と前記積層方向にそれぞれ対向し、
前記弾性部は、前記複数の第1電極と前記複数の第2電極との間を絶縁し、
前記部材間荷重は、前記弾性部の弾性変形に伴う前記複数の第1電極と前記複数の第2電極との間の電気的な変化に基づいて検出される、力覚センサ。 - 前記弾性部の弾性変形に伴う前記複数の第1電極と前記複数の第2電極との間の電気的な変化とは、前記弾性部の弾性変形に伴う前記複数の第1電極と前記複数の第2電極との間の静電容量の変化である、請求項1に記載の力覚センサ。
- 前記弾性部は、前記積層方向に厚みを有するフィルム状を成している、請求項1または2に記載の力覚センサ。
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