JP4825967B2

JP4825967B2 - 力覚センサ

Info

Publication number: JP4825967B2
Application number: JP2005138460A
Authority: JP
Inventors: 永余; 尚志茶園; 昇三辻尾
Original assignee: 国立大学法人鹿児島大学
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-11
Also published as: WO2006120776A1; JP2006317222A

Description

本発明は、ロボットの指先に好適な力覚センサに関する。

ロボットの指先には力覚センサが用いられている。図１１は、従来の力覚センサを示す模式図である。従来の力覚センサにおいては、構造体１１１の梁部１０２に歪ゲージ（図示せず）が貼り付けている。更に、構造体１１１には、梁部１０２の中央から突出する突出部１０３が形成されている。そして、突出部１０３の先端に力Ｆ_xやＦ_zが作用すると、梁部１０２に表面歪が発生し、この歪量が歪ゲージを用いて読み取られる。この読み取り値から突出部１０３の先端に作用した力の方向及び大きさが分析される。また、従来の力覚センサには、Ｘ−Ｙ軸方向の感度とＺ軸方向の感度とが相違するという特徴がある。

例えば、力Ｆ_Zが作用した場合には、支点からｘの位置に、ε₀＝（Ｆ_Zｘ／ＥＩ）・（Ｈ／８）で表される歪ε₀が発生する。但し、Ｅは梁部１０２の縦弾性係数であり、Ｉは梁部１０２の断面２次モーメントであり、Ｈは梁部１０２の高さである。

このような構成の従来の力覚センサにおいて、感度を高めるためには、構造体１１１の剛性を低くする必要がある。しかしながら、構造体１１１の剛性を低くすると、過剰な力入力があった場合、センサが容易に破壊されてしまう。即ち、感度と剛性を両立させることは困難である。

特開２００４−４５０４４号公報

本発明は、剛性を低くしなくても感度を向上させることができ、好ましくは３軸方向における感度を均等にすることができる力覚センサを提供することを目的とする。

本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明に係る力覚センサは、外部からの力が作用する第１の梁部材と、前記第１の梁部材よりも剛性が低い材料から構成され、前記第１の梁部材の前記力が作用する領域を間に挟む位置に一端が回転可能に取り付けられ、対を成す第２の梁部材と、前記第２の梁部材の他端を回転可能に固定する固定手段と、を有し、前記対を成す第２の梁部材の各たわみの大きさに応じて前記外部からの力の大きさと方向が検出されることを特徴とする。

本発明によれば、第２の梁部材において第１の梁部材よりも大きな歪が発生するため、第１の梁部材の剛性を維持したまま高い感度を得ることができる。従って、力覚センサ全体として、剛性を低下させることなく高い感度を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る力覚センサの外観を示す図であり、図２は、力覚センサの内部構造を示す図である。

この力覚センサ１には、平面形状が十字型の梁部（第１の梁部材）２及びこの梁部２の中心から突出する突出部３を備えた構造体１１が設けられている。構造体１１は、例えばステンレス製である。梁部２の４つの端部は、夫々弾性梁（第２の梁部材）４に回転可能に連結されている。弾性梁４は、例えばジュラルミン製である。即ち、各弾性梁４の下端及び梁部２の各端部には、これらを貫通する穴が形成されており、この穴の中にシャフト１２（図５参照）が挿入されている。そして、これらが筐体５に収納されている。筐体５の内側には、４つの固定部（固定手段）５１（図４Ａ〜図４Ｃ参照）が設けられており、この固定部５１の各々に各弾性梁４が回転可能に固定されている。即ち、各弾性梁４の上端及び各固定部５１には、これらを貫通する穴が形成されており、この穴の中にシャフト１３（図５参照）が挿入されている。

次に、弾性梁４について説明する。図３は、弾性梁４を示す模式図である。弾性梁４には、構造体１１との連結の際にシャフト１２が貫通する穴４５が形成された下端部４１、筐体５の固定部５１への固定の際にシャフト１３が貫通する穴４６が形成された上端部４４、並びに、下端部４１及び上端部４４間に位置する基部４２及びくびれ部４３が設けられている。くびれ部４３には、歪ゲージ（図示せず）が貼り付けられている。基部４２はくびれ部４３よりも下端部４１側に設けられており、その径は、くびれ部４３の径よりも大きい。なお、例えば、穴４５の断面形状は直径がシャフト１２の直径と同程度の円形であり、穴４６の断面形状は、上端部４４がシャフト１３に相対して弾性梁４の長手方向に移動可能なように、長方形の両端に半円が付された形状である。

ここで、構造体１１及び弾性梁４の変形について説明する。図４Ａは、突出部３に力が作用していない状態を示す模式図であり、図４Ｂは、突出部３に突出部が延びる方向と平行な方向から力Ｆ_Zが作用している状態を示す模式図であり、図４Ｃは、突出部３に突出部が延びる方向と垂直な方向から力Ｆ_Xが作用している状態を示す模式図である。

図４Ａに示すような定常状態にある力覚センサ１に対して、図４Ｂに示すように、力Ｆ_Zが作用すると、弾性梁４の上端部４４が固定部５１に回転可能に固定されているため、構造体１１の梁部２の中央がへこむようにたわむと共に、弾性梁４もたわむ。このとき、弾性梁４では、くびれ部４３において幅が最も狭いため、たわみ変形はくびれ部４３に集中する。

また、図４Ｃに示すように、力Ｆ_Xが作用した場合には、梁部２が波状に２箇所で互いに異なる方向にたわむと共に、弾性梁４のくびれ部４３もたわむ。但し、一部の弾性梁４においては、そのくびれ部４３のたわみ変形の方向が、力Ｆ_Zが作用した場合とは相違する。

ここで、構造体１１に作用する力の大きさと弾性梁４のたわみ変形との関係について説明する。図５は、弾性梁４のたわみ変形を示す図である。図６は、くびれ部４３のたわみを示す図である。図７は、弾性梁４のたわみ変形を模式的に示す図である。以下の説明では、くびれ部４３の長さをａ_X、シャフト１２の中心からくびれ部４３の中心までの距離をａ₁、シャフト１３の中心からくびれ部４３の中心までの距離をａ₂、くびれ部４３の幅をｈ、くびれ部４３のたわみ角をΘ、くびれ部４３のたわみ変形における曲率半径をρとする。

くびれ部４３のたわみ角Θは、図７に示すように、たわみ変形前にくびれ部４３の軸があった位置と変形後に軸がある位置とのなす角度α及びΦを用いて表すことができる。

図７では、数１に示す関係が成り立っている。

たわみ角Θは、角度α及びΘの和であるため、数２で表される。

ここで、くびれ部４３の表面長さの変化量をΔａとすると、くびれ部４３の歪εは、数３で表される。

数３に数２のΘを代入すると、数４が得られる。

たわみ角は微小（Φ＜＜１）であるため、ｓｉｎΦ≒Φ、ｃｏｓΦ≒１と近似することができる。従って、数４は数５と変形することができる。

従って、くびれ部４３を（２ａ_Xε）／ｈが微小（（２ａ_Xε）／ｈ＜＜１）になるように形成されている場合には、数６の関係が成り立つ。

また、２点支持梁においては、その長さをＬ、縦弾性係数をＥ、断面２次モーメントをＩとすると、中心に力Ｆ₁が作用した時に支点からｘの位置に生じるたわみ角Φ´は、数７で表される。

本実施形態では、力Ｆ₁が４個の弾性梁４に伝達されるため、弾性梁４のくびれ部４３におけるたわみ角ΦはΦ´／４となる。このため、数６及び数７より、歪εは、数８で表される。

一方、構造体１１のみに着目した場合、梁部２の高さをＨとすると、中心に力Ｆ₁が作用した時に支点からｘの位置に生じる歪ε₀は、数９で表される。

数８で表される歪εと数９で表されるε₀とを比較すると、数１０のようになる。

この数１０は、ε／ε₀＞１が満たされれば、本実施形態によって従来の力覚センサよりも高い感度を得られることを示している。

数１０は、突出部３が延びる方向に平行な方向から力が作用した場合に成り立つ式であるが、突出部３が延びる方向に直交する方向から力が作用した場合にも、歪εを歪ε₀よりも大きくすることが可能である。

また、Ｚ方向（突出部３が延びる方向に平行な方向）とＸ方向及びＹ方向（突出部３が延びる方向に直交する方向）との感度の関係に関し、本実施形態によれば、弾性梁４の材料及び形状等を適宜調節することにより、これらの３軸方向における感度を均一なものとすることも可能である。これらの感度を均一なものとすることにより、出力データの解析が容易になる等の効果が得られる。

次に、本願発明者が実際に作製した力覚センサ１の性能について説明する。この力覚センサ１では、構造体１１をステンレス製とし、その梁部２の長さＬを１０．０ｍｍ、高さＨを２．００ｍｍとした。また、弾性梁４をジュラルミン製とし、そのくびれ部４３に関する長さａ１を９ｍｍ、長さａ２を３．２５ｍｍ、長さａ_Xを３．５０ｍｍ、幅ｈを１．００ｍｍとした。また、くびれ部４３に歪ゲージを貼り付け、歪εの大きさに比例する電圧を測定可能にした。

そして、突出部３の先端に、５００ｇ、１ｋｇ及び２ｋｇの３種類の重りを個別に吊るし、各重りが吊るされた時の電圧の測定を行った。なお、重りを吊るす方向は、突出部３が延びる方向に垂直な方向（Ｘ方向）、及び突出部３が延びる方向に平行な方向（Ｚ方向）の２方向とした。この測定結果を表１に示す。

また、比較のために、弾性梁４を設けずに、梁部２の中心に歪ゲージを貼り付け、歪ε₀の大きさに比例する電圧を、上記の測定と同様にして測定した。この結果を表２に示す。

表１及び表２に示す結果から、ε／ε₀を求めると表３のようになる。

このように、弾性梁４を備えた力覚センサ１では、弾性梁４がない力覚センサと比較して、Ｘ方向で３倍程度、Ｚ方向で９倍程度の高い出力電圧が得られた。このことは、弾性梁４を備えた力覚センサ１では、Ｘ方向で３倍程度、Ｚ方向で９倍程度の高い感度が得られることを示している。但し、Ｘ方向とＹ方向とでは、構造が同一であるため、Ｙ方向でもＸ方向と同程度の感度が得られる。

また、本願発明者は、剛性等の確認のため、上記の重りを吊るした後、重りを吊るしてある糸を瞬時に切断し、弾性梁４を備えた力覚センサ１による測定結果をグラフ化した。この結果を図８Ａ乃至図８Ｃ及び図９Ａ乃至図９Ｃに示す。図８Ａ乃至図８Ｃは、重りをＸ方向に吊るした時の結果を示し、図９Ａ乃至図９Ｃは、重りをＺ方向に吊るした時の結果を示している。また、図８Ａ及び図９Ａは、５００ｇの重りを吊るした時の結果を示し、図８Ｂ及び図９Ｂは、１ｋｇの重りを吊るした時の結果を示し、図８Ｃ及び図９Ｃは、２ｋｇの重りを吊るした時の結果を示している。

図８Ａ乃至図８Ｃ及び図９Ａ乃至図９Ｃに示すように、どの荷重及びどの懸架方向においても、オーバーシュート及び時間遅れ等は生じなかった。このことは、動特性が優れており、十分な剛性を備えていることを意味している。

なお、弾性梁４の穴４５及び４６の直径がシャフト１２及び１３の直径と一致している場合、これらの間の摩擦が大きくなり、正確な測定が困難になる場合がある。逆に、弾性梁４の穴４５及び４６の直径がシャフト１２及び１３の直径よりも大きすぎる場合には、弾性梁４及び構造体１１ががたついてしまって、正確な測定が困難になる。そこで、図１０に示すように、下端部４１については、長さ方向の中心に近づくほど直径が狭くなる穴４５ａを形成することが好ましい。上端部４４についても同様である。

また、上述の本発明の実施形態についての説明では、力が作用する方向として２方向のみを挙げているが、これらに直交する方向（Ｙ方向）から力が作用してもよい。更に、これらの間の方向から力が作用してもよい。この場合、例えば、力の作用方向を互いに直交する３方向に分解すればよい。なお、力の作用方向が上述のＸ方向及びＺ方向のみである場合には、梁部２の平面形状は十字型である必要はなく、１つの梁が設けられていればよい。

本発明の実施形態に係る力覚センサ１の外観を示す図である。力覚センサ１の内部構造を示す図である。弾性梁４を示す模式図である。突出部３に力が作用していない状態を示す模式図である。突出部３に力Ｆ_Zが作用している状態を示す模式図である。突出部３に力Ｆ_Xが作用している状態を示す模式図である。弾性梁４のたわみ変形を示す図である。くびれ部４３のたわみを示す図である。弾性梁４のたわみ変形を模式的に示す図である。５００ｇの重りをＸ方向に吊るした時の結果を示すグラフである。１ｋｇの重りをＸ方向に吊るした時の結果を示すグラフである。２ｋｇの重りをＸ方向に吊るした時の結果を示すグラフである。５００ｇの重りをＺ方向に吊るした時の結果を示すグラフである。１ｋｇの重りをＺ方向に吊るした時の結果を示すグラフである。２ｋｇの重りをＺ方向に吊るした時の結果を示すグラフである。シャフトが貫通する穴の例を示す断面図である。従来の力覚センサを示す模式図である。

符号の説明

１：力覚センサ
２：梁部
３：突出部
４：弾性梁
５：筐体
１１：構造体
１２、１３：シャフト
４１：下端部
４２：基部
４３：くびれ部
４４：上端部
４５、４５ａ、４６：穴
５１：固定部

Claims

外部からの力が作用する第１の梁部材と、
前記第１の梁部材よりも剛性が低い材料から構成され、前記第１の梁部材の前記力が作用する領域を間に挟む位置に一端が回転可能に取り付けられ、対を成す第２の梁部材と、
前記第２の梁部材の他端を回転可能に固定する固定手段と、
を有し、
前記対を成す第２の梁部材の各たわみの大きさに応じて前記外部からの力の大きさと方向が検出されることを特徴とする力覚センサ。
前記第２の梁部材は、前記一端と前記他端との間に、前記一端及び前記他端よりも径が小さいくびれ部を有することを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
外部からの力が作用する第１の梁部材と、
前記第１の梁部材よりも剛性が低い材料から構成され、前記第１の梁部材の前記力が作用する領域を間に挟む位置に一端が回転可能に取り付けられ、対を成す第２の梁部材と、
前記第２の梁部材の他端を回転可能に固定する固定手段と、
を有し、
前記第２の梁部材は、前記一端と前記他端との間に、前記一端及び前記他端よりも径が小さいくびれ部を有することを特徴とする力覚センサ。
前記固定手段は、前記第１の梁部材及び前記第２の梁部材を収納する筐体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
外部からの力が作用する第１の梁部材と、
前記第１の梁部材よりも剛性が低い材料から構成され、前記第１の梁部材の前記力が作用する領域を間に挟む位置に一端が回転可能に取り付けられ、対を成す第２の梁部材と、
前記第２の梁部材の他端を回転可能に固定する固定手段と、
を有し、
前記固定手段は、前記第１の梁部材及び前記第２の梁部材を収納する筐体であることを特徴とする力覚センサ。
前記第１の梁部材は、前記力が作用する領域を交点として、互いに交差する２つの梁を有し、
前記第２の梁部材は、前記２つの梁毎に１対ずつ取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の力覚センサ。
外部からの力が作用する第１の梁部材と、
前記第１の梁部材よりも剛性が低い材料から構成され、前記第１の梁部材の前記力が作用する領域を間に挟む位置に一端が回転可能に取り付けられ、対を成す第２の梁部材と、
前記第２の梁部材の他端を回転可能に固定する固定手段と、
を有し、
前記第１の梁部材は、前記力が作用する領域を交点として、互いに交差する２つの梁を有し、
前記第２の梁部材は、前記２つの梁毎に１対ずつ取り付けられていることを特徴とする力覚センサ。