JP4921533B2 - 腱張力センサー - Google Patents

Description

本文書に記述された発明は、米国政府の（つまり非商業的）目的のために、実施料を支払うことなく米国政府によって又は米国政府のために製造され、使用される。

本発明は、概して腱張力センサーに関し、特に、ロボットアームにおける腱のための張力センサーに関するものであり、そのセンサーは、腱が挿通される弾性要素と、その弾性要素に搭載され、腱に対する張力に応じたその弾性要素の曲がりを計測するひずみゲージとを採用している。

各種の機能を実行する器用なロボットシステムが当該技術分野で知られている。器用なロボットシステムは、とりわけ、物や、特定の応用のための部品を掴むように動作する指と関連の関節を有するロボットアームを備えている。特別に器用なロボットシステムの設計においては、指を動かすために腱が採用されており、それらの腱は、指の関節に接続されている。それらの腱における張力は、指に掛かる外部からの負荷を示している。従って、指に掛かる負荷を測定して示すために、腱に掛かる張力を測定することが望ましい。

ロボットの腱に掛かる張力を測定する１つの知られた技法は、腱の引張り変形を測定するためにひずみゲージセンサーを採用している。しかしながら、ロボットの応用において発生する引張り力の範囲というのは大変小さいので、ひずみゲージセンサーは、正確な測定値を提供するに十分な感度を有していない。

また、当該技術分野においては、ロードセルを使用して張力を測定することが知られている。しかしながら、商業的に得られるロードセルというのはロボットの応用にはとりわけ大きいので、それらは、ロボットアームの内部に十分に収容できなかった。

他の知られた設計としては、ひずみゲージが搭載されたＳ形状弾性要素を採用するものがあった。腱の一端がそのＳ形状弾性要素の一端に接続され、他の腱の一端がそのＳ形状弾性要素の他端に接続され、それにより腱に掛かる張力がＳ形状弾性要素の変形を生じさせる。この設計では、腱を切断する必要があり、また比較的大きな直径が必要であった。

本発明の教示によれば、ロボットアームに採用される腱に掛かる張力を測定することへの特別な応用が可能な腱張力センサーが開示される。張力センサーは、腱が挿通する曲がった溝を有する弾性要素からなっている。弾性要素は、その弾性要素に掛かるひずみを測定するひずみゲージが搭載される中央部を有している。腱に掛かる張力により、弾性要素のその中央部は撓み、又は曲がり、それがひずみゲージにより測定され、腱の張力として示される。

本発明の更なる特徴は、添付図面を組み合わせることにより、以下の詳細な説明及び付属の請求の範囲から、明らかになるであろう。

図１は、腱により制御され、また腱張力センサーを含む、関節を備えた指を有するロボットアームを示す図である。 図２は、ロボットアームから外された、図１に示す腱張力センサーの斜視図である。 図３は、図２に示した腱張力センサーと類似の腱張力センサーの斜視図である。 図４（ａ）乃至４（ｃ）は、図３に示した腱張力センサーのための弾性要素の、それぞれ平面図、側面図及び底面図である。

腱張力センサーを意図した本発明の実施形態についての以下の議論は、本質的に単なる例示であり、本発明又はその応用もしくは使用を制限しようとするものではない。例えば、本発明の腱張力センサーは、ロボットアームの腱の張力の測定に特別に応用できるものである。しかしながら、当業者に認識されるであろうが、本発明の腱張力センサーは、他のタイプの腱に掛かる張力を測定することへも応用できる。

図１は、複数の指１４を有する手１２を備えたロボットアーム１０を示す図である。ロボットアーム１０は、器用なロボットシステムに典型的に使用されるタイプのロボットアームである。指１４の各々は、関節１６を含んでおり、それにより指１４は、特定の応用に応じて特定のものを掴むことができるようになっている。関節１６が動かされて指１４を閉じたり開いたりできるように、腱１８が関節１６に接続されており、腱１８に対する引っ張る力により指１４が閉じるようになっている。上で議論したように、腱１８に掛かる張力を測定することにより、指１４により掴まれている物に作用している力を知ることが望ましい。この測定を可能にするために、本発明は腱張力センサー２０を提案している。

図２は、ロボットアーム１０から外された腱張力センサー２０の斜視図である。張力センサー２０は、狭い中央部３６により共に接続された端部３２及び３４を有する弾性体である弾性要素３０を備えている。端部３２は曲がった溝３８を有しており、また端部３４は曲がった溝４０を有しており、それらの溝を腱１８が挿通又は貫通しているので、図に示すように、中央部３６に沿って延びることとなっている。従って、腱１８が曲がった状態で溝３８及び４０に挿通されていることの結果、腱１８に対する引っ張りの動作又は力により、中央部３６が曲がり、又は撓むこととなる。ひずみゲージ４２が中央部３６の相対するそれぞれの面に搭載され、弾性要素３０の曲がりを測定し、腱１８に掛かる張力を提示できるようになっている。

この非限定的実施形態においては、弾性要素３０は、略丸くされた形状を有する単一部材であり、その形状によりロボットアーム１０により容易に嵌入させ易くなっている。更に、弾性要素３０は、ここで記述された目的に適したものであって、容易に成形又は加工でき、繰り返しの曲げ力に強く、また安価ないかなる材料ででも形成できる。かかる材料の好適な例としてはアルミニウムである。

図３は、他の実施形態による腱張力センサー５０の斜視図である。腱張力センサー５０は、腱６４が挿通又は貫通する曲がった溝６０及び６２が設けられた端部５４及び５６を有する弾性要素５２を備えている。この実施形態では、弾性要素５２は、略四角形状を有しており、また単一部材である。弾性要素５２も、端部５４及び５６に接続され、またそれらを分離する狭い中央部５８を有しており、腱６４はその中央部５８に沿って延びている。上部ひずみゲージ６６が中央部５８に搭載され、腱６４に隣接して、中央部５８の上面にある上部接触子６８及び７０に電気的に接続されている。上記したように、腱６４に掛かる張力により、中央部５８が撓み、それがひずみゲージ６６により計測される。非限定的一実施形態においては、弾性要素５２は、長さが約２．５４ｃｍ（約１インチ）であり、高さが約０．６３５ｃｍ（約１／４インチ）であり、幅は約０．６３５ｃｍ（約１／４インチ）である。

図４（ａ）乃至４（ｃ）は、弾性要素５２の、それぞれ平面図、側面図及び底面図である。弾性要素５２の平面図はひずみゲージ６６を示しており、弾性要素５２の底面図は接触子８２及び８４を含む他のひずみゲージ８０を示している。導線８６及び８８は、それぞれ接触子６８及び７０に電気的に接続されており、導線９２は、接触子８２に電気的に接続されており、導線９０は、接触子６８及び８４に電気的に接続されている。従って、ひずみゲージ６６及び８０により提供された測定値は、ロボットアーム１０の動作を制御するコントローラ（図示せず）に出力できるようになっている。

以上の議論は、本発明の単なる例示の実施形態を開示し記述するものである。当業者であれば、かかる議論及び添付の図面及び請求の範囲から、各種の変更、修正及び変形態様が、以下の請求の範囲に規定されたような発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形成できることが認識できるであろう。

１０ ロボットアーム
１２ 手
１４ 指
１６ 関節
１８ 腱
２０ 腱張力センサー
３０ 弾性要素
３２、３４ （弾性要素の）端部
３６ （弾性要素の）中央部
３８、４０ （弾性要素端部に形成された）曲がった溝
４２ ひずみゲージ
５０ 腱張力センサー
５２ 弾性要素
５４、５６ （弾性要素の）端部
５８ （弾性要素の）中央部
６０、６２ （弾性要素端部に形成された）曲がった溝
６４ 腱
６６ 上部ひずみゲージ
６８，７０ 上部接触子
８０ ひずみゲージ
８２、８４ 接触子
８６、８８、９０ 導線

Claims (20)

1. 第一曲がり溝を有する第一端部と、
   第二曲がり溝を有する第二端部と、
   前記第一及び第二端部に接続され、それらの間にある狭い中央部と、
   前記中央部に搭載された少なくとも１つのひずみゲージと、
   を備える腱張力センサーであって、
   前記第一及び第二曲がり溝は、連続した一本の腱を受け入れるように動作可能であり、前記腱に掛かる張力により前記中央部が撓み、その撓みが前記少なくとも１つのひずみゲージにより計測可能であることを特徴とする腱張力センサー。
2. 前記第一及び第二端部は、略丸み形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の張力センサー。
3. 前記第一及び第二端部は、略四角形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の張力センサー。
4. 前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記中央部の一面に搭載された第一ひずみゲージと、前記中央部の対向面に搭載された第二ひずみゲージであることを特徴とする請求項１に記載の張力センサー。
5. 前記第一及び第二端部並びに前記中央部は、単一弾性要素を形成していることを特徴とする請求項１に記載の張力センサー。
6. 前記単一弾性要素は、アルミニウム製であることを特徴とする請求項５に記載の張力センサー。
7. 前記張力センサーは、約２．５４ｃｍ（約１インチ）の長さ、約０．６３５ｃｍ（約１／４インチ）の幅、及び約０．６３５ｃｍ（約１／４インチ）の高さを有することを特徴とする請求項１に記載の張力センサー。
8. 前記張力センサーは、ロボットアーム内の腱に掛かる張力を測定することを特徴とする請求項１に記載の張力センサー。
9. 前記腱は、前記ロボットアームの指の握力を制御することを特徴とする請求項８に記載の張力センサー。
10. 第一曲がり溝を有する第一端部と、第二曲がり溝を有する第二端部と、前記第一及び第二端部に接続され、それらの間にある狭い中央部とを備える単一弾性要素と、
    前記中央部の一面に搭載された第一ひずみゲージと、前記中央部の対向面に搭載された第二ひずみゲージと、
    を備えた腱張力センサーであって、
    前記第一及び第二曲がり溝は、連続した一本の腱を受け入れるように動作可能であり、前記腱に掛かる張力により前記中央部が撓み、その撓みが前記少なくとも１つのひずみゲージにより計測可能であることを特徴とする腱張力センサー。
11. 前記第一及び第二端部は、略丸み形状を有していることを特徴とする請求項１０に記載の張力センサー。
12. 前記第一及び第二端部は、略四角形状を有していることを特徴とする請求項１０に記載の張力センサー。
13. 前記単一弾性要素は、アルミニウム製であることを特徴とする請求項１０に記載の張力センサー。
14. 前記張力センサーは、約２．５４ｃｍ（約１インチ）の長さ、約０．６３５ｃｍ（約１／４インチ）の幅、及び約０．６３５ｃｍ（約１／４インチ）の高さを有することを特徴とする請求項１０に記載の張力センサー。
15. 前記張力センサーは、ロボットアーム内の腱に掛かる張力を測定することを特徴とする請求項１０に記載の張力センサー。
16. 前記腱は、前記ロボットアームの指の握力を制御することを特徴とする請求項１５に記載の張力センサー。
17. ロボットアームの指の握力を制御する腱に掛かる張力を測定するための腱張力センサーであって、
    第一曲がり溝を有する略丸み形状第一端部と、第二曲がり溝を有する略丸み形状第二端部と、前記第一及び第二端部に接続され、それらの間にある狭い中央部とを備える弾性要素と、
    前記中央部に搭載された少なくとも１つのひずみゲージと、
    を備え、
    前記腱は、前記第一及び第二曲がり溝に挿通し、前記腱に掛かる張力により前記中央部が撓み、その撓みが前記少なくとも１つのひずみゲージにより計測可能であることを特徴とする腱張力センサー。
18. 前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記中央部の一面に搭載された第一ひずみゲージと、前記中央部の対向面に搭載された第二ひずみゲージであることを特徴とする請求項１７に記載の張力センサー。
19. 前記弾性要素は、アルミニウム製であることを特徴とする請求項１７に記載の張力センサー。
20. 前記張力センサーは、約２．５４ｃｍ（約１インチ）の長さ、約０．６３５ｃｍ（約１／４インチ）の幅、及び約０．６３５ｃｍ（約１／４インチ）の高さを有することを特徴とする請求項１７に記載の張力センサー。

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