JP2023051285A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】作用する外力を高感度で検出可能な力覚センサを提供する。【解決手段】力覚センサは、支持部１０と、第１受力部２１と、第１板バネ部３１と、第１センサ４１と、を備える。第１受力部２１は、支持部１０に対して変位可能である。第１板バネ部３１は、支持部１０と第１受力部２１とを連結する。第１センサ４１は、第１板バネ部３１に配置され、第１板バネ部３１の弾性変形の変形量を検知する。第１板バネ部３１は、第１受力部２１が外力の作用を受けていない状態において、湾曲して弾性変形した状態で保持される。第１センサ４１が検知した変形量から第１受力部２１に作用する外力を検出する。【選択図】図２

Description

本発明は、力覚センサに関する。

従来の力覚センサは、装着面（支持部）に対して変位する第１の起歪部（第１受力部）と、装着面と第１の起歪部とを連結する板状の第２の起歪部と、歪ゲージ（第１センサ）と、を備える。歪ゲージは、第２の起歪部に配置され、第２の起歪部の変形に対して歪を検知する。歪ゲージが検知した歪みから、第１の起歪部に作用する外力を検出する（例えば、特許文献１）。

特開２００５－２５７４１２号公報

上記特許文献に開示された力覚センサによると、第２の起歪部の変形量が小さく、作用する外力を高感度で検出できない可能性があった。

本発明は、作用する外力を高感度で検出可能な力覚センサを提供することを目的とする。

本発明の例示的な力覚センサは、支持部と、第１受力部と、第１板バネ部と、第１センサと、を備える。第１受力部は、支持部に対して変位可能である。第１板バネ部は、支持部と第１受力部とを連結する。第１センサは、第１板バネ部に配置され、第１板バネ部の弾性変形の変形量から検出する。第１板バネ部は、第１受力部が外力の作用を受けていない状態において、湾曲して弾性変形した状態で保持される。第１センサが検知した変形量から第１受力部に作用する外力を検出する。

例示的な本発明によれば、作用する外力を高感度で検出可能な力覚センサを提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサの斜視図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサの縦断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサの変形例を示す縦断面図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサの変形例を示す縦断面図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る力覚センサの縦断面図である。 図６は、本発明の第３実施形態に係る力覚センサの縦断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面においては、適宜、３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸方向は、鉛直方向（すなわち上下方向）を示し、＋Ｚ方向が上側（重力方向の反対側）であり、－Ｚ方向が下側（重力方向）である。Ｚ軸方向は、後述する支持部１０と第１受力部２１との対向方向でもある。なお、本明細書では、支持部１０に対して第１受力部２１側を上として、各部の形状や位置関係を説明する。なお、上下方向は単に説明のための用いられる名称であって、実際の位置関係及び方向を限定しない。

Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ＋Ｘ方向および－Ｘ方向とする。Ｙ軸方向は、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の両方向と直交する方向を指し、その一方向および逆方向を、それぞれ＋Ｙ方向および－Ｙ方向とする。また、第１受力部２１の中心を通り、Ｚ軸と平行な軸を中心軸Ｌと規定する。また、本願において「平行な方向」とは、略平行な方向も含む。

（１．力覚センサの構成）
本発明の例示的な一実施形態の力覚センサ１について説明する。図１は第１実施形態に係る力覚センサ１の斜視図である。

力覚センサ１は、３軸力覚センサであり、第１受力部２１に作用する外力を３次元で立体的に検出できる。

力覚センサ１は、支持部１０と、第１受力部２１と、第１板バネ部３１と、第１センサ４１と、を備える。支持部１０は、下面に回路基板（不図示）が固定される。支持部１０は、ロボットアーム、マニピュレータ等に取付けられる。本実施形態では、回路基板は、支持部１０に含まれる。

第１受力部２１は、矩形の板状であり、第１板バネ部３１を介して支持部１０の上面と平行に配置される。また、第１受力部２１は、剛体からなり、第１受力部２１自体は、外力を受けて殆ど弾性変形しない。これにより、第１受力部２１に作用する外力の一部が、第１受力部２１の変形によって吸収されることを抑制できる。従って、力覚センサ１は、第１受力部２１に作用する外力を高感度で検出できる。

第１受力部２１と支持部１０とは、第１板バネ部３１を介して連結されている。第１板バネ部３１は、略長方形の板バネであり、長手方向の上端が第１受力部２１に連結され、他端が支持部１０に連結される。すなわち、第１板バネ部３１は、支持部１０と第１受力部２１とを長手方向に連結する。

第１板バネ部３１は、Ｚ軸方向から見て、第１受力部２１を中心にして放射状に等間隔で複数配置されている。本実施形態では、第１板バネ部３１は、４個設けられている。具体的には、第１板バネ部３１は、Ｚ方向から見たときに略十字型となるように設けられ、一対の第１板バネ部３１は、第１受力部２１を挟んでＸ軸方向に延びる。また、一対の第１板バネ部３１は、第１受力部２１を挟んでＹ軸方向に延びる。第１板バネ部３１を４個設けることにより、第１受力部２１に作用する外力を３次元で検出できる。

複数の第１板バネ部３１は、一枚の薄板から成り、互いに連結されている。例えば、４個の第１バネ部３１は、薄板のバネ材を、放電加工やプレス等によって十字型に切り出し又は打ち抜いて容易に成形できる。複数の第１板バネ部３１が、一枚の薄板から成るため、各第１バネ部３１の材料特性（バネ定数等）を精度よく均一化することができる。なお、第１受力部２１は、成形された十字型の薄板の中央部に貼り付け、又は固定できる。また、薄板の材料の一例としては、バネ用ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４－ＣＳＰ）が挙げられる。

なお、第１板バネ部３１は、個数に応じて第１受力部２１を中心にして略等間隔で放射状に配置できる。例えば、第１板バネ部３１を３個設ける場合には、放射状に１２０度間隔で配置してもよい。また、第１板バネ部３１の数を増やすことにより、第１受力部２１に作用する外力をより高感度で検出できる。

Ｘ軸方向に対向する一対の第１板バネ部３１の復元力により、第１受力部２１は、＋Ｘ方向と－Ｘ方向とに釣り合う同じ力で引っ張られる。Ｙ軸方向に対向する一対の第１板バネ部３１の復元力により、第１受力部２１は、＋Ｙ方向と－Ｙ方向とに釣り合う同じ力で引っ張られる。

これにより、第１板バネ部３１は、第１受力部２１が外力の作用を受けていない状態において、外側（上方）に凸に円弧状に湾曲して弾性変形した状態で保持されている。

第１板バネ部３１を外側に凸に円弧状に湾曲して弾性変形した状態で保持することにより、力覚センサ１が、Ｚ軸方向（支持部１０と第１受力部２１との対向方向）に大型化することを抑制しながら、第１板バネ部３１を、長手方向に長く形成することができる。第１板バネ部３１を、長手方向に長く形成することにより、外力を受けた時の第１板バネ部３１のＺ軸方向における変形量（たわみ量）が大きくなる。

第１センサ４１は、各第１板バネ部３１の内面に配置され、各第１センサ４１は、第１板バネ部３１の弾性変形の変形量を検知する。第１センサ４１として、例えば、圧電素子が用いられる。圧電素子は、第１板バネ部３１の撓み量に応じて電気抵抗値が変化する。

第１センサ４１は、例えば、シート状に形成され、第１板バネ部３１の内面に貼り付けられる。なお、第１センサ４１を、第１板バネ部３１の内面に蒸着して形成してもよい。第１センサ４１を、第１板バネ部３１の外面に配置してもよい。また、第１センサ４１は、圧電素子以外にも第１板バネ部３１の弾性変形の変形量を検知できれば特に限定されない。

（２．力覚センサの動作）
第１受力部２１が、例えば、中心軸Ｌに対して斜めであってＺ軸方向のベクトルを含む外力を受けた場合に、４個の第１板バネ部３１が、第１受力部２１に作用する外力に応じてそれぞれ変形し、第１受力部２１は、支持部１０に対して相対的に移動または傾斜する。各第１板バネ部３１に配置された第１センサ４１は、第１板バネ部３１の変形量をそれぞれ検知する。これにより、４個の第１板バネ部３１の変形量に基づいて外力の大きさ及び向きが演算により検出される。

このとき、各第１板バネ部３１は、小さい外力を受けた場合でも大きく撓み、変形する。このため、各第１センサ４１は、各第１板バネ部３１の弾性変形を高感度でそれぞれ検知できる。従って、力覚センサ１は、各第１センサ４１が検知した変形量から第１受力部２１に作用する外力の大きさ及び向きを演算により高感度で検出できる。

なお、力覚センサ１は、第１受力部２１が、＋Ｚ方向又は－Ｚ方向のいずれの向きを含む外力の作用を受けた場合でも、各第１センサ４１が検知した変形量から第１受力部２１に作用する外力を演算により検出できる。

また、力覚センサ１は、各第１板バネ部３１の弾性域を超える外力が第１受力部２１に作用することは好ましくない。

図３は、第１実施形態の力覚センサ１の変形例を示す縦断面図であり、支持部１０と第１受力部２１との間にリミッタ５０が配置されている。第１受力部２１は、リミッタ５０によって支持部１０に対する変位を規制され、リミッタ５０に接触した場合に変位が止まる。これにより、第１板バネ部３１が弾性域を超えて大きく湾曲し、破損することを防止できる。

図４は、第１実施形態の力覚センサ１の変形例を示す縦断面図である。第１受力部２１が外力の作用を受けていない状態において、第１板バネ部３１を外側に凸の楕円弧状に湾曲させ、弾性変形した状態で保持してもよい。第１板バネ部３１を、長手方向に長く形成することにより、第１センサ４１は、各第１板バネ部３１の弾性変形をより高感度でそれぞれ検知できる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る力覚センサ１の縦断面図である。説明の便宜上、前述の図１～図４に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付す。第２実施形態では支持部１０と第１受力部２１との間に、第２受力部２２が、配置されている点が第１実施形態とは異なる。その他の部分は第１実施形態と同様である。

第２受力部２２は、矩形の板状であり、第２板バネ部３２を介して支持部１０の上面と平行に配置される。また、第２受力部２２は、剛体からなり、第２受力部２２自体は、外力を受けても殆ど弾性変形しない。

第２板バネ部３２は、略長方形の板バネであり、長手方向の上端が第２受力部２２に連結され、他端が支持部１０に連結される。すなわち、第２板バネ部３２は、支持部１０と第２受力部２２とを長手方向に連結する。また、第２板バネ部３２のバネ定数は、第１板バネ部３１のバネ定数よりも大きい。

第２板バネ部３２は、第２受力部２２を中心にして放射状に等間隔で複数配置されている。本実施形態では、第２板バネ部３２は、第１板バネ部３１と同様に４個設けられている。具体的には、一対の第２板バネ部３２は、第２受力部２２を挟んでＸ軸方向に延びる。また、一対の第２板バネ部３２は、第２受力部２２を挟んでＹ軸方向に延びる。

第２板バネ部３２は、第１板バネ部３１と同様に、第２受力部２２が外力の作用を受けていない状態において、外側に凸に円弧状に湾曲して弾性変形した状態で保持されている。

第２板バネ部３２を外側（上方）に凸に円弧状に湾曲して弾性変形した状態で保持することにより、力覚センサ１が、Ｚ軸方向（支持部１０と第１受力部２１との対向方向）に大型化することを抑制しながら、第２板バネ部３２を、長手方向に長く形成することができる。第２板バネ部３２を、長手方向に長く形成することにより、外力を受けた時の第２板バネ部３２のＺ軸方向における変形量（たわみ量）が大きくなる。

第２センサ４２は、各第２板バネ部３２の内面に配置され、各第２センサ４２は、第２板バネ部３２の弾性変形の変形量を検知する。第２センサ４２は、第１センサ４１と同様のものが用いられる。

第１受力部２１が、例えば、中心軸Ｌに対して斜めであって－Ｚ方向のベクトルを含む所定値以上の外力を受けた場合に、４個の第１板バネ部３１が、第１受力部２１に作用する外力に応じてそれぞれ変形する。また、第１受力部２１が、第２受力部２２に接触すると、第２板バネ部３２がそれぞれ変形する。これにより、第１受力部２１及び第２受力部２２が、支持部１０に対して相対的に移動または傾斜する。

すなわち、第１受力部２１が、外力の作用を受けて第２受力部２２に接触した場合に、第２受力部２２は、支持部１０に対して変位可能である。

このとき、各第２板バネ部３２に配置された第２センサ４２が、第２板バネ部３２の変形量をそれぞれ検知する。各第２板バネ部３２は、小さい外力を受けた場合でも大きく撓み、変形する。これにより、各第２センサ４２は、各第２板バネ部３２の弾性変形を高感度でそれぞれ検知できる。

従って、力覚センサ１は、各第２センサ４２が検知した変形量から第１受力部２１に作用する外力の大きさ及び向きを演算により高感度で検出できる。

これにより、第１受力部２１が受ける－Ｚ方向のベクトルを含む外力の大きさに応じて第１センサ４１と第２センサ４２とを使い分けることができ、第１受力部２１に作用する外力の大きさ及び向きをより高感度で検出できる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図６は、第３実施形態に係る力覚センサ１の縦断面図である。説明の便宜上、前述の図５に示す第２実施形態と同様の部分には同一の符号を付す。第３実施形態では第１受力部２１の外側に第３受力部２３が、配置されている点が第２実施形態とは異なる。その他の部分は第２実施形態と同様である。

第３受力部２３は、矩形の板状であり、第３板バネ部３３を介して支持部１０の上面と平行に配置される。また、第３受力部２３は、剛体からなり、第３受力部２３自体は、外力を受けても弾性変形しない。

第３受力部２３は、中心軸Ｌを通ってＺ軸方向に貫通する貫通孔２３ａを有する。第１受力部２１は、アタッチメント２１ａを有する。アタッチメント２１ａは、＋Ｚ方向に延び、貫通孔２３ａを通って第３受力部２３の外側に突出する。なお、アタッチメント２１ａは、第３受力部２３と一体に形成され、アタッチメント２１ａが外力の作用を受けた場合に、アタッチメント２１ａ及び第３受力部２３は、支持部１０に対して一緒に変位する。

第３板バネ部３３は、略長方形の板バネであり、長手方向の上端が第３受力部２３に連結され、他端が支持部１０に連結される。すなわち、第３板バネ部３３は、支持部１０と第３受力部２３とを長手方向に連結する。また、第３板バネ部３３のバネ定数は、第１板バネ部３１のバネ定数よりも大きい。

第３板バネ部３３は、第３受力部２３を中心にして放射状に複数等間隔で複数配置されている。本実施形態では、第３板バネ部３３は、第１板バネ部１と同様に４個設けられている。具体的には、一対の第３板バネ部３３は、第３受力部２３を挟んでＸ軸方向に延びる。また、一対の第３板バネ部３３は、第３受力部２３を挟んでＹ軸方向に延びる。

第３板バネ部３３は、第１板バネ部３１と同様に、第３受力部２３が外力の作用を受けていない状態において、外側（上方）に凸に円弧状に湾曲して弾性変形した状態で保持されている。

第３板バネ部３３を外側に凸に円弧状に湾曲して弾性変形した状態で保持することにより、力覚センサ１が、Ｚ軸方向（支持部１０と第１受力部２１との対向方向）に大型化することを抑制しながら、第３板バネ部３３を、長手方向に長く形成することができる。第３板バネ部３３を、長手方向に長く形成することにより、外力を受けた時の第３板バネ部３３のＺ軸方向における変形量（たわみ量）が大きくなる。

第３センサ４３は、各第３板バネ部３３の内面に配置され、各第３センサ４３は、第３板バネ部３３の弾性変形の変形量を検知する。第３センサ４３は、第１センサ４１と同様のものが用いられる。

第１受力部２１が、アタッチメント２１ａを介して、例えば、中心軸Ｌに対して斜めであって＋Ｚ方向のベクトルを含む所定値以上の外力を受けた場合に、４個の第１板バネ部３１が、第１受力部２１に作用する外力に応じてそれぞれ変形する。また、第１受力部２１が、第３受力部２３に接触すると、第３板バネ部３３がそれぞれ変形する。これにより、第１受力部２１及び第３受力部２３が、支持部１０に対して相対的に移動または傾斜する。

すなわち、第１受力部２１が、外力の作用を受けて第３受力部２３に接触した場合に、第３受力部２３は、支持部１０に対して変位可能である。

このとき、各第３板バネ部３３に配置された第３センサ４３が、第３板バネ部３３の変形量をそれぞれ検知する。各第３板バネ部３３は、小さい外力を受けた場合でも大きく撓み、変形する。これにより、各第３センサ４３は、各第３板バネ部３３の弾性変形を高感度でそれぞれ検知できる。

従って、力覚センサ１は、各第３センサ４３が検知した変形量から第１受力部２１に作用する外力の大きさ及び向きを演算により高感度で検出できる。

これにより、第１受力部２１が受ける＋Ｚ方向のベクトルを含む外力の大きさに応じて第１センサ４１と第３センサ４３とを使い分けることができ、第１受力部２１に作用する外力の大きさ及び向きをより高感度で検出できる。

また、第１受力部２１が、アタッチメント２１ａを介して、例えば、中心軸Ｌに対して斜めであって－Ｚ方向のベクトルを含む所定値以上の外力を受けた場合には、第２実施形態と同様に、第２板バネ部３２がそれぞれ変形する。これにより、第２実施形態と同様に、力覚センサ１は、各第２センサ４２が検知した変形量から第１受力部２１に作用する外力の大きさ及び向きを演算により高感度で検出できる。

＜４．その他＞
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。また、上記実施形態とその変形例は適宜任意に組み合わせることができる。例えば、第３実施形態において、第２受力部２２及び第２板バネ部３２を省いてリミッタ５０を設けてもよい。

また、上記実施形態では、第２受力部２２及び第３受力部２３が外力の作用を受けていない状態において、第１板バネ部３１と同様に、第２板バネ部３２及び第３板バネ部３３を、外側に凸の楕円弧状に湾曲させ、弾性変形した状態で保持してもよい（図４参照）。

本発明によると、ロボットアームに利用することができる。

１ 力覚センサ
１０ 支持部
２１ 第１受力部
２１ａ アタッチメント
２２ 第２受力部
２３ 第３受力部
２３ａ 貫通孔
３１ 第１板バネ部
３２ 第２板バネ部
３３ 第３板バネ部
４１ 第１センサ
４２ 第２センサ
４３ 第３センサ
５０ リミッタ
Ｌ 中心軸

Claims (10)

1. 支持部と、
   前記支持部に対して変位可能な第１受力部と、
   前記支持部と前記第１受力部とを連結する第１板バネ部と、
   前記第１板バネ部に配置され、前記第１板バネ部の弾性変形の変形量を検知する第１センサと、を備え、
   前記第１板バネ部は、前記第１受力部が外力の作用を受けていない状態において、湾曲して弾性変形した状態で保持され、
   前記第１センサが検知した変形量から前記第１受力部に作用する外力を検出する、力覚センサ。
2. 前記第１板バネ部は、前記第１受力部を中心にして放射状に等間隔で複数配置されている、請求項１に記載の力覚センサ。
3. 複数の前記第１板バネ部は、一枚の薄板から成り、互いに連結されている、請求項２に記載の力覚センサ。
4. 前記第１板バネ部は、４個設けられている、請求項２又は請求項３に記載の力覚センサ。
5. 前記第１受力部が前記支持部の上方に対向して配され、前記第１板バネ部は、前記第１受力部が外力の作用を受けていない状態において、上に凸に湾曲している、請求項１～請求項４のいずれかに記載の力覚センサ。
6. 前記支持部と前記第１受力部との間に配置される、リミッタを有し、
   前記第１受力部は、前記リミッタによって前記支持部に対する変位を規制される請求項１～請求項５のいずれかに記載の力覚センサ。
7. 前記支持部と前記第１受力部との間に配置され、前記支持部に対して変位する第２受力部と、
   前記支持部と前記第２受力部とを連結する第２板バネ部と、
   前記第２板バネ部に配置され、前記第２板バネ部の弾性変形の変形量を検知する第２センサと、を備え、
   前記第１受力部が、外力の作用を受けて前記第２受力部に接触した場合に、第２受力部は、前記支持部に対して変位可能であり、
   前記第２センサが検知した変形量から前記第１受力部に作用する外力を検出する、請求項１～請求項６のいずれかに記載の力覚センサ。
8. 前記第２板バネ部は、前記第２受力部が外力の作用を受けていない状態において、湾曲して弾性変形した状態で保持されている、請求項７に記載の力覚センサ。
9. 前記第１受力部の外側に配置され、前記支持部に対して変位する第３受力部と、
   前記支持部と前記第３受力部とを連結する第３板バネ部と、
   前記第３板バネ部に配置され、前記第３板バネ部の弾性変形の変形量を検知する第３センサと、を備え、
   第３受力部は、前記第１板バネが外力の作用を受けて前記第３受力部に接触した場合に、前記支持部に対して変位可能であり、
   前記第３センサが検知した変形量から前記第１受力部に作用する外力を検出する、請求項１～請求項８のいずれかに記載の力覚センサ。
10. 前記第１受力部が、剛体からなる、請求項１～請求項９のいずれかに記載の力覚センサ。

Images