JP2022156888A

JP2022156888A - 力覚センサ

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Publication number: JP2022156888A
Application number: JP2021060808A
Authority: JP
Inventors: 嵩幸遠藤; Takayuki Endo
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2022-10-14
Also published as: WO2022209210A1

Abstract

【課題】複数のブリッジ回路の出力電圧を十分に利用して検出精度を向上させることが可能な力覚センサを提供する。【解決手段】第１構造体と第２構造体との間に設けられた複数のブリッジ回路５１１、５１２…５１ｍは、少なくとも３つの歪センサの２つの歪ゲージ群の抵抗値の変化を複数の電圧値として出力する。演算部６１は、複数のブリッジ回路の出力電圧を演算する。演算部は、行列式を用いて、３つの力と３つのモーメントを演算し、係数の行列のｘ方向とｙ方向の力、ｚ軸回りのモーメントに対応する特定の係数が０以外の値である。【選択図】図９

Description

本発明の実施形態は、例えばロボットアーム等に用いられる力覚センサに関する。

力覚センサは、例えばロボットアーム等に用いられ、直交する３軸（ｘ、ｙ、ｚ）に関して、力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）とモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を検出する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－４８９１５号公報

力覚センサは、６軸方向、例えば３軸方向及び３軸回り方向に変形可能な複数の歪センサを具備している。各歪センサは、複数の歪ゲージを含み、複数の歪ゲージは、複数のブリッジ回路を構成している。複数のブリッジ回路の出力電圧を用いて、力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）とモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）が検出される。しかし、従来の力覚センサは、複数のブリッジ回路の出力電圧が十分に利用されていなかった。

本実施形態は、複数のブリッジ回路の出力電圧を十分に利用して検出精度を向上させることが可能な力覚センサを提供する。

本実施形態の力覚センサは、第１構造体と、第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体を接続する複数の第３構造体と、前記複数の第３構造体と異なる位置で、前記第１構造体と第２構造体との間に設けられ、それぞれ２つの歪ゲージ群を有する少なくとも３つの歪センサと、前記少なくとも３つの歪センサの前記２つの歪ゲージ群の抵抗値の変化を複数の電圧値として出力する複数のブリッジ回路と、前記複数のブリッジ回路の出力電圧を演算する演算部と、を具備し、前記演算部は、次式を用いて、３つの力と３つのモーメントを演算し、

ここで、
Ｆｘはｘ方向の力、Ｆｙはｙ方向の力、Ｆｚはｚ方向の力、Ｍｘはｘ軸回りのモーメント、Ｍｙはｙ軸回りのモーメント、Ｍｚはｚ軸回りのモーメント、Ｃ^＋は係数の行列、Ｖ１～Ｖｍは、ｍ個のブリッジ回路の出力電圧であり、前記係数の行列Ｃ^＋が式（２）で示され、

ここで、
Ｃ_１１～Ｃ_６ｍは、係数の行列Ｃ^＋の係数
Ｆ_１１～Ｆ_６６は、Ｆｘ～Ｍｚが印加された時、複数の歪ゲージ群に印加される力、
Ｖ_１１～Ｖ_ｍ６は、Ｆｘ～Ｍｚが印加された時のｍ個のブリッジ回路の出力電圧であり、
前記ブリッジ回路の数ｍが６であるとき、係数Ｃ^＋の行列の係数Ｃ_１４、Ｃ_１６、Ｃ_２２、Ｃ_２４、Ｃ_２６、Ｃ_６１が０以外の値である。

本実施形態に係る力覚センサを示す斜視図。図１に示す力覚センサを分解して示す斜視図。図２に示す力覚センサの一部を組み立てた状態を示す斜視図。図２に示す力覚センサの一部をさらに組み立てた状態を示す斜視図。図２に示す力覚センサの一部をさらに分解して示す斜視図。本実施形態に係る弾性体を取り出して示す平面図。本実施形態に係る歪センサを模式的に示す図。ブリッジ回路の一例を示す回路図。本実施形態に係る力覚センサの制御系を概略的に示す構成図。３つの歪センサ１９－１、１９－２、１９－３を概略的に示す平面図。各歪ゲージ群に力やモーメントが印加された場合の張力又は圧縮力を概略的に示す図。本実施形態の変形例を概略的に示す平面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。

図１乃至図６を用いて、本実施形態に係る力覚センサ１０の構成について説明する。
力覚センサ１０は、例えばロボットアーム等に用いられ、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）、及びＸ、Ｙ、Ｚ軸回りのトルク（モーメント：Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を検出する。

図１、図２に示すように、力覚センサ１０は、円筒状の本体１１と、本体１１を覆う円筒状のカバー１２とを備えている。カバー１２の内部には、本体１１に対して動作可能な可動体としての取付けプレート１３が設けられ、取付けプレート１３は、複数のネジ１４によりカバー１２に固定される。カバー１２及び取付けプレート１３は、本体１１に対して動作可能に設けられる。

本体１１は、図示せぬロボットアームの例えば本体に固定される。取付けプレート１３は、ロボットアームの例えばハンド部分に固定される。

本体１１とカバー１２との間には、リング状のシール部材１５が設けられている。シール部材１５は、弾性材、例えばゴム製又は発泡部材により形成され、本体１１とカバー１２との間隙をシールするとともに、カバー１２が本体１１に対して動作可能としている。

本体１１と取付けプレート１３との間には、弾性体１６が設けられる。弾性体１６は、例えば金属製であり、後述するように、１つの第１構造体１６－１と、複数に分かれた第２構造体１６－２と、第１構造体１６－１と第２構造体１６－２との間に設けられた複数の第３構造体１６－３等と、を具備する。複数の第２構造体１６－２は、第１構造体１６－１の周囲に等間隔に配置される。

本実施形態において、弾性体１６は、例えば３つの第２構造体１６－２を具備している。しかし、第２構造体１６－２の数は３つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。また、本実施形態を、力覚センサ以外の例えばトルクセンサに適用する場合、第２構造体１６－２の数は、２つであってもよい。

図３に示すように、第１構造体１６－１は、周囲に６つの第１弾性部１６－４を具備している。第１弾性部１６－４は、第１構造体１６－１の周囲に沿い、直線状の形状を有している。

第２構造体１６－２のそれぞれは、略Ｕ字状の２つの第２弾性部１６－５と、２つの第２弾性部１６－５の間で、２つの第２弾性部１６－５を繋ぐ直線上の中継部１６－６を具備している。

第３構造体１６－３は、一端部が第１弾性部１６－４に接続され、他端部が中継部１６－６に接続される。第１構造体１６－１と１つの第２構造体１６－２との間に設けられた２つの第３構造体１６－３は、平行に配置される。

第２構造体１６－２は、複数のネジ１７により本体１１に固定され、第１構造体１６－１は、図２、図４に示すように、複数のネジ１８により取付けプレート１３に固定される。

図２、図３に示すように、歪センサ１９は、第１構造体１６－１と中継部１６－６との間に設けられる。具体的には、歪センサ１９の一端部は、固定プレート２０と第１弾性部１６－４の裏面に挿入されたネジ２１により、２つの第１弾性部１６－４の間の第１構造体１６－１に固定され、歪センサ１９の他端部は固定プレート２２と中継部１６－６の裏面に挿入されたネジ２３により、中継部１６－６の中央部に固定される。歪センサ１９は、後述するように、金属製の起歪体の表面に複数の歪ゲージが配置されている。

取付けプレート１３及びカバー１２が外力により、本体１１に対して動作すると、第３構造体１６－３、第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、及び中継部１６－６が変形する。これに伴い、歪センサ１９の起歪体が変形し、歪ゲージから電気信号が出力される。

各歪センサ１９の各歪ゲージは、後述するように、ブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路により、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）、及びＸ、Ｙ、Ｚ軸回りのトルク（モーメント：Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）が検出される。

図２に示すように、本体１１には、弾性体１６を外力から保護する複数のストッパ３０が設けられている。各ストッパ３０は、円筒状のストッパ部材３１と、固定部材としてのネジ３２と、取付けプレート１３に設けられた複数の開口部１３ａと、により構成される。

本実施形態は、３つのストッパ３０を具備する場合を示している。しかし、ストッパ３０の数は、３つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。３つのストッパ３０は、３つの第２構造体１６－２の相互間にそれぞれ配置される。

ストッパ３０を第２構造体１６－２の相互間に配置することにより、弾性体１６及び力覚センサ全体の直径及び外形の大型化を抑制することが可能である。

本体１１の表面で、３つの第２構造体１６－２の相互間に対応する位置には、３つ突起１１ａがそれぞれ設けられている。

図４に示すように、ストッパ部材３１は、取付けプレート１３の開口部１３ａ内に挿入された状態で、ネジ３２により本体１１の突起１１ａに固定される。ストッパ部材３１の外径は、後述するように、開口部１３ａの内径より若干小さく設定されている。取付けプレート１３が本体１１に対して動作し、ストッパ部材３１の外面が開口部１３ａの内面に当接すると、取付けプレート１３の動作が阻止され、弾性体１６及び歪センサ１９の起歪体の破壊が防止される。

図５に示すように、本体１１の裏面部には、印刷基板４１、複数のフレキシブル印刷基板４２、裏蓋４３、リード線アセンブリ４４、中空管４５が設けられている。印刷基板４１は、ブリッジ回路に電源を供給したり、ブリッジ回路の出力信号を処理したりする図示せぬ処理回路などを具備している。

複数のフレキシブル印刷基板４２の一端部は、図２に示すように、本体１１の上面側に配置され、各歪センサ１９に接続される。複数のフレキシブル印刷基板４２の他端部は、印刷基板４１の裏面において、処理回路などに接続される。複数のフレキシブル印刷基板４２は、歪ゲージに電源を供給したり、歪ゲージからの信号を処理回路に供給したりする。

リード線アセンブリ４４は、印刷基板４１に接続され、処理回路に電源を供給したり、処理回路からの信号を伝送したりする。裏蓋４３は、複数のネジにより本体１１に固定され、印刷基板４１をカバーする。

本体１１、カバー１２、取付けプレート１３、及び弾性体１６の第１構造体１６－１、印刷基板４１、裏蓋４３の中央部には、開口部が連通して設けられており、中空管４５は、この開口部内に設けられる。

図２、図３に示すように、中空管４５の一端部は、裏蓋４３、印刷基板４１、第１構造体１６－１を貫通し、第１構造体１６－１の表面に突出される。中空管４５の第１構造体１６－１の表面に突出された一端部には、リング状のシール部材２６が設けられる。このシール部材２６は、例えばゴム又は発泡材料により形成され、取付けプレート１３の開口部と中空管２５の一端部との間隙をシールする。これにより、カバー１２の外部から取付けプレート１３の内部に塵埃が侵入することが防止される。

（弾性体の構成）
図６は、弾性体１６と歪センサ１９を示している。前述したように、弾性体１６は、１つの第１構造体１６－１と、３つの第２構造体１６－２、複数の第３構造体１６－３、第１構造体１６－１に設けられた６つの第１弾性部１６－４、３つの第２構造体１６－２のそれぞれに設けられた２つの第２弾性部１６－５、及び２つの第２弾性部１６－５の間に設けられた中継部１６－６を具備している。

第２弾性部１６－５は、略Ｕ字状であり、第２構造体１６－２に比べて低い曲げ又はねじれ剛性を有している。第１弾性部１６－４は、第２弾性部１６－５と同程度以下のねじれ剛性を有している。

歪センサ１９は、２つの第１弾性部１６－４の間に位置する第１構造体１６－１と、中継部１６－６の中央部との間に設けられる。さらに、歪センサ１９は、２つの第３構造体１６－３の間に位置され、２つの第３構造体１６－３と平行に配置される。

第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、及び中継部１６－６の厚みは、第１構造体１６－１、第２構造体１６－２、第３構造体１６－３の厚みと等しく、第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、及び中継部１６－６の幅Ｗは、第３構造体１６－３の幅と等しくされている。第２弾性部１６－５は、Ｕ字状部の長さＬ１及びＬ２が長い程、及びＵ字状部の幅Ｗが細い程、柔軟であり、第１弾性部１６－４及び中継部１６－６も、幅が細い程、柔軟である。

歪センサ１９を構成する起歪体１９ａの厚みは、第１構造体１６－１、第２構造体１６－２、第３構造体１６－３、第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、及び中継部１６－６の厚みより薄く、起歪体１９ａの幅は、第３構造体１６－３、第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、及び中継部１６－６の幅より広い。但し、第１弾性部１６－４、第２弾性部１６－５、中継部１６－６、第３構造体１６－３の厚み、幅の寸法、及び大小関係は、必要に応じて変更できる。

第２構造体１６－２の構成は、これに限定されるものではなく、３つの第２構造体１６－２は、破線で示すように、例えば環状に一体的に構成されていてもよい。

（歪センサの構成）
図７は、歪センサ１９の一例を示している。前述したように、歪センサ１９は、起歪体１９ａと、起歪体１９ａの表面に設けられた複数の歪ゲージＲ１～Ｒ８により構成される。起歪体１９ａは、金属により構成され、その厚みは、幅より薄くされている。このため、起歪体１９ａは、厚み方向に変形しやすく、幅方向に変形し難い。

起歪体１９ａの一端部は第１構造体１６－１に設けられ、他端部は第２構造体１６－２の中継部１６－６に設けられる。

起歪体１９ａの表面に例えば薄膜抵抗体からなる歪ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８が設けられる。Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚを検出するための歪ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、起歪体１９ａの長手方向に対して斜めに配置される。具体的には、歪ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、起歪体１９ａの対角線に沿って、起歪体１９ａの角部に配置される。一方、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚを検出するための歪ゲージＲ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８は、起歪体１９ａの長手方向に対して平行で、起歪体１９ａの中央部に配置される。さらに、歪ゲージＲ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ８は、起歪体１９ａの長手方向の一端部近傍に配置され、歪ゲージＲ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ７は、起歪体１９ａの長手方向の他端部近傍に配置される。

図８は、上記歪ゲージＲ１～Ｒ８を用いたブリッジ回路の一例を示している。歪ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、第１ブリッジ回路ＢＣ１を構成し、歪ゲージＲ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８は、第２ブリッジ回路ＢＣ２を構成する。

第１ブリッジ回路ＢＣ１は、電源Ｖと接地ＧＮＤとの間に歪ゲージＲ２と歪ゲージＲ１の直列回路と、歪ゲージＲ４と歪ゲージＲ３の直列回路が配置される。歪ゲージＲ２と歪ゲージＲ１の接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔ＋が出力され、歪ゲージＲ４と歪ゲージＲ３の接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔ－が出力される。出力電圧Ｖｏｕｔ＋及び出力電圧Ｖｏｕｔ－は、演算増幅器ＯＰ１に供給され、演算増幅器ＯＰ１の出力端から出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。

第２ブリッジ回路ＢＣ２は、電源Ｖと接地ＧＮＤとの間に歪ゲージＲ６と歪ゲージＲ５の直列回路と、歪ゲージＲ８と歪ゲージＲ７の直列回路が配置される。歪ゲージＲ６と歪ゲージＲ５の接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔ＋が出力され、歪ゲージＲ８と歪ゲージＲ７の接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔ－が出力される。出力電圧Ｖｏｕｔ＋及び出力電圧Ｖｏｕｔ－は、演算増幅器ＯＰ２に供給され、演算増幅器ＯＰ２の出力端から出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。

以下、第１ブリッジ回路ＢＣ１と演算増幅器ＯＰ１と、第２ブリッジ回路ＢＣ２と演算増幅器ＯＰ２とを、それぞれ単にブリッジ回路と称す。

本実施形態の力覚センサ１０は、３つの歪センサ１９を具備し、各歪センサ１９に一対のブリッジ回路が配置されている。このため、力覚センサ１０は、合計６つのブリッジ回路を有している。

図９は、力覚センサ１０の制御系の構成を示している。複数のブリッジ回路５１_１、５１_２～５１_ｍの出力電圧Ｖ_１、Ｖ_２…Ｖ_ｍは、演算部６１に供給される。本実施形態の場合、ｍ＝６である。演算部６１は、例えばマイクロコンピュータにより構成され、マイクロコンピュータは、マイクロプロセッサやメモリ、及びソフトウェア又はファームウェアを含んでいる。しかし、演算部６１は、これに限定されるものではない。演算部６１は、ブリッジ回路５１_１、５１_２～５１_ｍの出力電圧Ｖ_１、Ｖ_２…Ｖ_ｍからＦｘ、Ｆｙ、Ｍｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚを演算する。

（演算動作）
先ず、原理について説明する。
図１０は、３つの歪センサ１９（１９－１、１９－２、１９－３）を概略的に示している。ここで、歪センサ１９－１の角部の歪ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を歪ゲージ群（１）で示し、中央部の歪ゲージＲ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８を歪ゲージ群（２）で示す。歪センサ１９－２の角部の歪ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を歪ゲージ群（３）で示し、中央部の歪ゲージＲ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８を歪ゲージ群（４）で示す。歪センサ１９－３の角部の歪ゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を歪ゲージ群（５）で示し、中央部の歪ゲージＲ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８を歪ゲージ群（６）で示す。

図１１は、歪センサ１９－１、１９－２、１９－３にＦｘ、Ｆｙ、Ｍｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚが印加された場合に歪ゲージ群（１）（２）（３）（４）（５）（６）に加わる張力又は圧縮力の大小を概略的に示している。ここで、「Ｔ」は、張力が大きいことを示し、「ｔ」は、張力が小さいことを示している。「Ｃ」は、圧縮力が大きいことを示し、「ｃ」は、圧縮力が小さいことを示している。「－」は、張力及び圧縮力が印加されないことを示している。

例えばＦｘが印加された場合、歪センサ１９－１の角部に配置された歪ゲージ群（１）には、大きな張力が印加され、歪センサ１９－２、１９－３の角部に配置された歪ゲージ群（３）（５）には、小さな圧縮力が印加される。

Ｆｘ、Ｆｙについては、歪ゲージ群（１）（３）（５）だけでは、検出できない。具体的には、Ｆｘの場合、歪ゲージ群（１）（３）（５）に印加される張力又は圧縮力（Ｔ、ｃ、ｃ）と、Ｍｙの場合の歪ゲージ群（１）（３）（５）に印加される張力又は圧縮力（ｔ、ｃ、ｃ）とでは、歪ゲージ群（１）に印加される張力の大きさが異なるだけで、歪ゲージ群（３）（５）に印加される圧縮力が等しいため、ＦｘかＭｙかを判別できず、歪ゲージ群（２）（４）（６）に印加される張力又は圧縮力を判別することにより、ＦｘかＭｙかを判別できる。

また、Ｆｙの場合、歪ゲージ群（１）（３）（５）に印加される張力又は圧縮力（－、Ｃ、Ｔ）と、－Ｍｘ（－は、モーメントの方向が反対であることを示す）の場合の歪ゲージ群（１）（３）（５）に印加される張力又は圧縮力（－、ｃ、ｔ）とでは、歪ゲージ群（１）には、張力又は圧縮力が印加されず、歪ゲージ群（３）（５）に印加される圧縮力と張力の大きさが異なるだけであるため、Ｆｙか－Ｍｘかを判別できず、歪ゲージ群（２）（４）（６）に印加される張力又は圧縮力を判別することにより、Ｆｙか－Ｍｘかを判別できる。

次に、演算部６１による、ブリッジ回路５１_１、５１_２～５１_ｍの出力電圧Ｖ_１、Ｖ_２…Ｖ_ｍを用いたＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの演算について説明する。

Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚは、式（１）で示すように、ブリッジ回路５１_１、５１_２～５１_ｍの出力電圧Ｖ_１、Ｖ_２…Ｖ_ｍに係数の行列Ｃ^＋を掛けて計算される。

係数の行列Ｃ^＋は、Ｆｘのみを３つの歪センサに印加した時に６つの歪ゲージ群に印加される力Ｆ及び６つのブリッジ回路から出力される６つの出力電圧と、Ｆｙのみを３つの歪センサに印加した時に６つの歪ゲージ群に印加される力Ｆ及び６つのブリッジ回路から出力される６つの出力電圧と、・・・Ｍｚのみを３つの歪センサに印加した時に６つの歪ゲージ群に印加される力Ｆ及び６つのブリッジ回路から出力される６つの出力電圧と、を連立方程式により解くことで求められる。具体的には、係数の行列Ｃ^＋は、式（２）で示される。

式（２）は、Ｆｘ～Ｍｚが印加された時に６つの歪ゲージ群に印加される力Ｆ_１１～Ｆ_６６の行列に、Ｆｘ～Ｍｚが印加された時に６つのブリッジ回路から出力される電圧Ｖ_１１～Ｖ_ｍ６の逆行列を乗算することにより係数の行列Ｃ^＋を求めている。

具体的には、力覚センサに印加される力を明確化するため、単軸毎に力を印加する（Ｆ_１１＝Ｆｘ、Ｆ_２２＝Ｆｙ、Ｆ_３３＝Ｆｚ、Ｆ_４４＝Ｍｘ、Ｆ_５５＝Ｍｙ、Ｆ_６６＝Ｍｚ）。すなわち、力覚センサにＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの１つのみを印加し、６つのブリッジ回路の出力電圧Ｖ_１～Ｖ_６が測定される。この測定が、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚのそれぞれに対して行われる。この結果、式（１）で示す６つの行列式が求められる。この６つの行列式から式（２）で示す連立方程式を解くことにより、係数Ｃ_１１～Ｃ_ｍ６が演算される。これにより、係数の行列Ｃ^＋が求められる。

本実施形態において、係数の行列Ｃ^＋は、式（３）で示される。

上記係数の行列Ｃ^＋を予め求め、この係数の行列Ｃ^＋を用いることにより、力覚センサに印加されるＦｘ～Ｍｚを検出することができる。係数の行列Ｃ^＋において、係数Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ１５、Ｃ２１、Ｃ２３、Ｃ２５、Ｃ３２、Ｃ３４、Ｃ３６、Ｃ４２、Ｃ４４、Ｃ４６、Ｃ５４、Ｃ５６、Ｃ６３、Ｃ６５は、０以外の値である。

しかも、係数の行列Ｃ^＋において、ｘ方向の力Ｆｘとｙ方向の力Ｆｙ、及びｚ軸回りのモーメントＭｚに対応する係数のうち、特定の係数Ｃ１４、Ｃ１６、Ｃ２２、Ｃ２４、Ｃ２６、Ｃ６１の値が０以外の値である。このため、これらの係数に対応するブリッジ回路の出力電圧を用いてＦｘ、Ｆｙ、Ｍｘ、Ｍｙの値を高精度に検出することが可能である。

すなわち、係数Ｃ１４、Ｃ１６、Ｃ２２、Ｃ２４、Ｃ２６、Ｃ６１は、モーメントＭｘ、Ｍｙが印加されたとき、モーメントＭｘ、Ｍｙに対応する出力を考慮した係数である。この係数が例えば０である場合、例えば、モーメントＭｙのみが印加されたにも関わらず、モーメントＭｙと同時に力Ｆｘも印加されたとして演算されてしまう。これを避けるため、従来、複数の歪ゲージは、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚに対応する出力がそれぞれ機械的に干渉しない位置に配置される必要があった。この場合、係数Ｃ１４、Ｃ１６、Ｃ２２、Ｃ２４、Ｃ２６、Ｃ６１の値をゼロとすることができるが、弾性体の形状が大型化していた。

本実施形態は、モーメントＭｘ、Ｍｙに対応する出力を考慮したＣ１４、Ｃ１６、Ｃ２２、Ｃ２４、Ｃ２６、Ｃ６１を用いることにより、弾性体１６の形状の大型化を防止して、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｘ、Ｍｙの検出精度を向上可能としている。

尚、式（４）は、係数の行列Ｃ^＋の各数値の一例を示している。各係数の数値は、変更可能である。

（実施形態の効果）
上記実施形態によれば、第１構造体１６－１と３つの第２構造体１６－２との間に設けられた３つの歪センサ１９と、３つの歪センサ１９のそれぞれに設けられた２組の歪ゲージ群の出力信号を６つのブリッジ回路により検出し、６つのブリッジ回路の出力電圧Ｖ_１～Ｖ_６に係数の行列Ｃ^＋を乗算することによりＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを求めている。しかも、係数の行列Ｃ^＋において、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｘ、Ｍｙに対応する係数のうち、係数Ｃ１４、Ｃ１６、Ｃ２２、Ｃ２４、Ｃ２６、Ｃ６１が０以外の値である。このため、これら係数に対応するブリッジ回路の出力電圧を利用することにより、弾性体の大型化を防止して、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｘ、Ｍｙの値を高精度に検出することが可能である。

（変形例）
図１２は、本実施形態の変形例を示している。
上記実施形態は、３つの歪センサ１９を用いていた。変形例では、４つの歪センサ１９が用いられる。同心状に配置された第１構造体１６－１と第２構造体１６－２は、複数の第３構造体１６－３により連結されている。４つの歪センサ１９は、複数の第３構造体１６－３と異なる位置で、第１構造体１６－１と第２構造体１６－２との間に設けられている。各歪センサ１９の構成は、図７に示すものと同様であり、各歪センサ１９により２つのブリッジ回路が構成される。このため、本変形例は、８つのブリッジ回路を具備している。

本変形例において、８つのブリッジ回路から８つの出力電圧Ｖ_１～Ｖ_８が出力され、これら出力電圧Ｖ_１～Ｖ_８を用いて、力覚センサ１０に印加されたＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが検出される。

具体的には、上記式（１）、式（２）において、ブリッジ回路の数ｍが８として計算される。本変形例において、式（２）の係数の行列Ｃ^＋は、式（５）で示される。

本変形例において、係数の行列Ｃ^＋の係数Ｃ１２、Ｃ１６、Ｃ２４、Ｃ２８の値が０以外の値である。

本変形例において、モーメントＭｘが印加された場合、９０°と２７０°に位置する歪センサ１９は、曲げられるのに対して、０°と１８０°に位置する歪センサ１９は、ねじられる。このため、歪ゲージ群（１）（３）（５）（７）でモーメントＭｘを測定し、係数Ｃ１２、Ｃ１６、Ｃ２４、Ｃ２８を求めておくことにより、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｘ、Ｍｙの検出精度を向上させることができる。

本変形例によれば、係数の行列Ｃ^＋を用いることにより、Ｆｘ～Ｍｚを検出することができ、しかも、行列Ｃ^＋の係数Ｃ１２、Ｃ１６、Ｃ２４、Ｃ２８が０以外の値であるため、これらの係数に対応するブリッジ回路の出力電圧を十分に利用することができ、弾性体の形状の大型化を抑えて、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｘ、Ｍｙの値を高精度に検出することが可能である。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…力覚センサ、１６－１…第１構造体、１６－２…第２構造体、１６－３…第３構造体、１９…歪センサ、１９ａ…起歪体、Ｒ１～Ｒ８…歪ゲージ、ＢＣ１…第１ブリッジ回路、ＢＣ２…第２ブリッジ回路、５１_１、５１_２～５１_ｍ…ブリッジ回路、６１…演算部。

Claims

第１構造体と、
第２構造体と、
前記第１構造体と前記第２構造体を接続する複数の第３構造体と、
前記複数の第３構造体と異なる位置で、前記第１構造体と第２構造体との間に設けられ、それぞれ２つの歪ゲージ群を有する少なくとも３つの歪センサと、
前記少なくとも３つの歪センサの前記２つの歪ゲージ群の抵抗値の変化を複数の電圧値として出力する複数のブリッジ回路と、
前記複数のブリッジ回路の出力電圧を演算する演算部と、
を具備し、
前記演算部は、次式を用いて、３つの力と３つのモーメントを演算し、

ここで、
Ｆｘはｘ方向の力、Ｆｙはｙ方向の力、Ｆｚはｚ方向の力、Ｍｘはｘ軸回りのモーメント、Ｍｙはｙ軸回りのモーメント、Ｍｚはｚ軸回りのモーメント、Ｃ^＋は係数の行列、Ｖ１～Ｖｍは、ｍ個のブリッジ回路の出力電圧であり、前記係数の行列Ｃ^＋が次式で示され、

ここで、
Ｃ_１１～Ｃ_６ｍは、係数の行列Ｃ^＋の係数
Ｆ_１１～Ｆ_６６は、Ｆｘ～Ｍｚが印加された時、複数の歪ゲージ群に印加される力、
Ｖ_１１～Ｖ_ｍ６は、Ｆｘ～Ｍｚが印加された時のｍ個のブリッジ回路の出力電圧であり、
前記ブリッジ回路の数ｍが６であるとき、係数の行列Ｃ^＋の係数Ｃ_１４、Ｃ_１６、Ｃ_２２、Ｃ_２４、Ｃ_２６、Ｃ_６１が０以外の値であることを特徴とする力覚センサ。
第１構造体と、
第２構造体と、
前記第１構造体と前記第２構造体を接続する複数の第３構造体と、
前記複数の第３構造体と異なる位置で、前記第１構造体と第２構造体との間に設けられ、それぞれ２つの歪ゲージ群を有する少なくとも３つの歪センサと、
前記少なくとも３つの歪センサの前記２つの歪ゲージ群の抵抗値の変化を複数の電圧値として出力する複数のブリッジ回路と、
前記複数のブリッジ回路の出力電圧を演算する演算部と、
を具備し、
前記演算部は、次式を用いて、３つの力と３つのモーメントを演算し、

ここで、
Ｆｘはｘ方向の力、Ｆｙはｙ方向の力、Ｆｚはｚ方向の力、Ｍｘはｘ軸回りのモーメント、Ｍｙはｙ軸回りのモーメント、Ｍｚはｚ軸回りのモーメント、Ｃ^＋は係数の行列、Ｖ１～Ｖｍは、ｍ個のブリッジ回路の出力電圧であり、前記係数の行列Ｃ^＋が次式で示され、

ここで、
Ｃ_１１～Ｃ_６ｍは、係数の行列Ｃ^＋の係数
Ｆ_１１～Ｆ_６６は、Ｆｘ～Ｍｚが印加された時、複数の歪ゲージ群に印加される力、
Ｖ_１１～Ｖ_ｍ６は、Ｆｘ～Ｍｚが印加された時のｍ個のブリッジ回路の出力電圧であり、
前記ブリッジ回路の数ｍが８であるとき、係数の行列Ｃ^＋の係数Ｃ_１２、Ｃ_１６、Ｃ_２４、Ｃ_２８が０以外の値であることを特徴とする力覚センサ。
前記歪センサのそれぞれは、前記第１構造体、第２構造体、及び第３構造体より薄い金属板により構成された起歪体を含み、前記複数の歪ゲージは、前記起歪体の長手方向に対して斜めに配置された複数の第１歪ゲージ群と、前記起歪体の長手方向と平行に配置された複数の第２歪ゲージ群と、を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の力覚センサ。