JP4955740B2 - 指骨接触ロードセル - Google Patents

Description

ここに記述された発明は、米国政府に対して、又はそのために実施料を支払うことなく、米国政府の（つまり非商業的）目的のために、米国政府により、又はそのために製造され、使用される。

本発明は、概してロードセルに関し、特に、ロボットの指又は小型マニピュレータの指骨に掛かる負荷を測定するためのロードセルに関するものであり、そのロードセルは、６つの自由度における負荷を測定する。

現代においては、とりわけ製造プラントの組立ライン及び溶接ラインのような応用分野において、器用なロボットシステムを使用することが増えてきている。このことは、ロボットが高い正確性と効率性で動作するということに起因している。最近開発されて導入されてきたものとしては、自律ロボットがあり、そのロボットは、連続的な人間の指示なくして、非構造化環境において、所望の仕事（タスク）を実行できる。ロボットアームが使用される応用例においては、ロボットシステムの自律タスク制御が、アームに取り付けられた指の各接触点で受ける負荷に関する詳細情報を得ることにより、改良可能である。指の各部に作用する負荷が、適切な力が特定のタスクを実行するのに働いている、ということを保証しているのである。更に、予期せぬ高さの又は低さの負荷が観測されれば、滑り等の故障や望まぬ状況を特定できることとなる。

ロボットの手の指が受ける負荷を測定するのに使用される現存の一技法は、単一軸接触センサーを有するものである。しかしながら、かかるセンサーは、一軸を超えて作用する力を測定することができないので、そのセンサーにより提供される負荷解像度に甘んじるしかなかった。

他の知られたシステムは、負荷値を測定するのに市販のロードセルを使用している。しかしながら、そのようなシステムで使用されるロードセルは、とりわけ許容外の大きさであり、ロボットの手の指の各部に収納できないものであった。

本発明の教示によれば、器用なロボットシステムの指骨に掛かる負荷を測定することに特別に応用される接触ロードセルが開示されている。そのロードセルは、指骨にそのロードセルを搭載するのに使用できる第一及び第二端部と、そのロードセルに適当な接触面を搭載するのに使用できる中央部とを有するフレキシブルひずみ素子を備えている。そのひずみ素子は、また、第一端部及び中央部に接続される少なくとも３つの部位を有する第一Ｓ形状部材と、第二端部及び中央部に接続される少なくとも３つの部位を有する第二Ｓ形状部材とを備えている。ロードセルは、また、８対のひずみゲージを備えており、そのひずみゲージの各対は、各Ｓ形状部材の各部位の１つの対向する両面に搭載されており、ひずみゲージの各対は、６つの自由度におけるひずみ測定値を提供している。ひずみゲージ対の少なくとも１つが第一Ｓ形状部材又は第二Ｓ形状部材の３つの部位のうち一つの部位の対向する両面上に設けられており、ひずみゲージ対の別の対が、ひずみゲージ対の少なくとも１つが取り付けられているところと同じ部位の他の対向する両面上に設けられている。

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、一実施形態による、ロボットの手のための接触ロードセルを示す図である。 図２は、他の一実施形態による、ロボットの手のための接触ロードセルを示す図である。 図３は、他の一実施形態による、ロボットの手のための接触ロードセルを示す図である。 図４は、図３に示した接触ロードセルを採用する器用なロボットシステムのための指の斜視図である。 図５は、指骨から分離され、指骨の搭載素子に搭載された、図４に示されたロードセルの斜視図である。

接触ロードセル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、本発明の接触ロードセルは、ロボットの指の指骨に掛かる負荷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、本発明の接触ロードセルは、他にも応用できる。

図１は、器用なロボットシステムの指骨に掛かる負荷を測定することに特別に応用される接触ロードセル１０の斜視図である。以下に議論されるように、ロードセル１０は、６つの方向、すなわち３つの直線方向と３つの回転方向における力を同時に測定できる。ロードセル１０は、アルミニウムのような適当なフレキシブル材料で形成された単一体ひずみ素子１２を有している。以下に議論されるように、ひずみ素子１２は、設計負荷の範囲内における、また器用なロボットシステムの指骨上で利用できる限られた空間内における測定可能曲げひずみを最大限にするように設計されている。ひずみ素子１２は、フレキシブル材料から製造又は成形できる単一部材とすることができ、また、適した技法により接続される以下に議論の各種素子との組み合わせとすることができる。ひずみ素子１２は、ロードセル１０を所望の位置に搭載できるようするための孔３６及び３８を有する第一端搭載部３０及び第二端搭載部３４を備えている。ひずみ素子１２は、また、ロードセル１０に適当な接触面を搭載するために設けられた中央搭載部３２を備えている。

ひずみ素子１２は、また、示されている通り、第一端搭載部３０及び中央搭載部３２に接続される第一Ｓ形状部材１１０と、第二端搭載部３４及び中央搭載部３２に接続される第二Ｓ形状部材１１２とを備えている。Ｓ形状部材１１０は部位４０，４２及び４４を有しており、Ｓ形状部材１１２は部位４６，４８及び５０を有している。この非限定的実施形態においては、部位４０乃至５０は、断面が正方形又は長方形であるが、他の形状も同様に利用できる。

Ｓ形状部材１１０及び１１２に掛かるひずみを測定するために、ひずみゲージの対が部位４０乃至５０のうちのいくつかの部位に設けられている。特に、ひずみゲージ対１４が、部位４４の対向する両面上に設けられており、ひずみゲージ対１６が、部位４４の他の対向する両面上に設けられており、ひずみゲージ対１８が、部位４２の対向する両面上に設けられており、ひずみゲージ対２０が、部位４２の他の対向する両面上に設けられており、ひずみゲージ対２２が、部位５０の対向する両面上に設けられており、ひずみゲージ対２４が、部位５０の他の対向する両面上に設けられており、ひずみゲージ対２６が、部位４６の対向する両面上に設けられており、ひずみゲージ対２８が、部位４６の他の対向する両面上に設けられている。従って、Ｓ形状部材１１０及び１１２の６つの自由度におけるいかなる撓みや曲げも、適切なひずみゲージ対により測定される。非限定的実施形態においては、ひずみゲージ対１４乃至２８は、半導体ひずみゲージであるが、他のタイプのひずみゲージも適用できる。

複数の電気接触器５２が搭載部３０，３２及び３４上に設けられており、そられはひずみゲージ対１４乃至２８に電気的に接続されており、またそれらによりロードセル１０から制御回路（図示せず）への接続が可能となっている。

図２は、ロードセル１０と類似のものであり、６つの自由度におけるひずみの測定値を提供するという同じ原則に基づいた接触ロードセル５４の斜視図である。この実施形態では、ロードセル５４は、搭載端部５８及び６２並びに中央搭載部６０を有したひずみ素子５６を備えている。更に、ひずみ素子５６は、４つの矩形形状部６４，６６，６８及び１１６を有する第一曲がり部材１１４と、４つの矩形形状部７０，７２，７４及び１２０を有する第二曲がり部材１１８とを備えている。第一曲がり部材１１４は、端部５８及び中央部６０に接続されており、第二曲がり部材１１８は、端部６２及び中央部６０に接続されている。ひずみ素子５６は、アルミニウムのようなフレキシブル材料から製造又は成形できる単一部材とすることができ、また、部品の組み合わせとすることもできる。具体的には、第一端部５８、第二端部６２、中央部６０、第一曲がり部材１１４、及び第二曲がり部材１１８の各々は、全て適当な方法で組み合わされるような個別部材である。ロードセル１０と同様、ひずみゲージ対が、部位６４−７４，１１６及び１２０の適切な位置に設けられており、それにより６つの自由度におけるひずみを測定している。

図３は、アーチのような形状をしたひずみ素子７８を有した接触ロードセル７６の斜視図である。ロードセル７６は、ロードセル１０と同じ構成素子を有しているが、器用なロボットシステムの特定の指骨によりうまく搭載できるようにアーチ構成の形状となっている。特に、ロードセル７６は、そのロードセル７６を指骨に搭載できるように、溝孔１３０及び１３２をそれぞれ有する端部８８及び９０を備えている。更に、ひずみ素子７８は、適当な接触面をロードセル７６に固定するための穴を有する中央部８６を備えている。ロードセル７６は、また、端部８８及び中央部８６に搭載され、曲ったＳ形状を形成する３つの部位を有する第一Ｓ形状部材１３４と、端部９０及び中央部８６に搭載され、曲ったＳ形状を形成する３つの部位を有する第二Ｓ形状部材１３６とを備えている。更に、例えばひずみゲージ対８０，８２及び８４を含む８つのひずみゲージ対がＳ形状部材１３４及び１３６に接続されており、それにより６つの自由度におけるひずみを測定している。

ロードセル７６は、従来の配線の代わりにフレックス回路９２を有しており、それによりひずみゲージと他の電子回路との間が接続されるようになっている。

図４は、器用なロボットシステムのロボットの手の一部である指９６の斜視図である。指９６は、回転関節１００及び１０２により接続される各種の指骨を有している。指９６は、各指骨９８に搭載された３つのロードセル７６を備えている。図５は、搭載素子１０４に搭載されたロードセル７６の１つの斜視図であり、素子１０４は、溝穴１３０及び１３２内に位置付けできるような形状となっている。ロードセル７６のアーチ構成は、特に、この特定の応用の指骨９８の形状のためである。

ロードセルは、ロボットの手が仕事を実行するときに各指が受ける負荷を測定するために使用される。指が負荷を受けると、ひずみ素子が捻れる。ひずみ素子のその捻れは、ひずみ素子に搭載されたひずみゲージにより捕獲され、電気信号に変換される。その信号は、ハーフブリッジ回路を利用して増幅される。しかしながら、当業者であれば、ひずみゲージの信号は、上記の実施形態において議論された手段以外の手段によっても増幅できることが容易に分かるであろう。ロードセルからの信号は、指に作用する力の性質や方向のような各種の情報、すなわち滑りが起きているかどうか、指は指し示している又は掴んでいるかどうか等を解釈するために使用される。ひずみゲージは対で使用されるので、曲げモーメントを把握できることとなる。ロードセルは、ロボットの手に搭載される前に、校正される。校正の間、既知の力がロードセルに与えられる。各ひずみゲージの信号が読み取られ、それらの複合信号が既知の力の値と比較される。乗算因子、すなわち実際の力を得るためにロードセル信号に掛けられるべき値が、この比較に基づいて算出される。この乗算因子は、ロードセルがロボットの手において使用されるときのために保持される。

本発明の各種実施形態は、１つ以上の利点を有している。すなわち、本発明は、ロボットの手と、それに使用されるロードセルを提供している。本発明のロードセルは、サイズが小さく、ロボットの手の内部に収納できるほど十分に小型である。更に、ロードセルは、６つの自由度を有しているので、適用される負荷についての方向と配向の双方の情報を提供できる。

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。

Claims (20)

1. 第一端部、第二端部及び中央部を備えると共に、少なくとも３つの部位を有し、前記第一端部及び前記中央部に接続される第一Ｓ形状部材と、少なくとも３つの部位を有し、前記第二端部及び前記中央部に接続される第二Ｓ形状部材とを備えるフレキシブルひずみ素子と、
   前記第一及び第二Ｓ形状部材に搭載される複数のひずみゲージ対であって、各ひずみゲージ対が、各Ｓ形状部材の各部位の１つの対向する両面に搭載される複数のひずみゲージ対と、
   を備え、
   前記ひずみゲージ対の少なくとも１つが前記第一Ｓ形状部材又は前記第二Ｓ形状部材の前記３つの部位のうち一つの部位の対向する両面上に設けられており、前記ひずみゲージ対の別の対が、前記ひずみゲージ対の少なくとも１つが取り付けられているところと同じ部位の他の対向する両面上に設けられていることを特徴とする接触ロードセル。
2. 前記複数のひずみゲージ対は、６つの自由度におけるひずみ測定値を提供する８つのひずみゲージ対であることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
3. 第一ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の第一部位の対向する両面上に設けられており、第二ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の前記第一部位の他の対向する２面上に設けられており、第三ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の第二部位の対向する両面上に設けられており、第四ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の前記第二部位の他の対向する２面上に設けられており、第五ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の第一部位の対向する両面上に設けられており、第六ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の前記第一部位の他の対向する２面上に設けられており、第七ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の第二部位の対向する両面上に設けられており、第八ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の前記第二部位の他の対向する２面上に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のロードセル。
4. 前記第一及び第二Ｓ形状部材の前記部位は、断面が矩形であることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
5. 前記ひずみ素子は、アルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
6. 前記第一及び第二端部並びに前記中央部は、当該ロードセルをロボットの指に搭載するための搭載孔を有していることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
7. 前記第一及び第二端部は、接続溝穴を有していることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
8. 前記ひずみ素子は、一般Ｕ形状を有していることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
9. 前記第一及び第二Ｓ形状部材は、それぞれ４つの個別部位を備えていることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
10. 当該ロードセルは、指骨に掛かる負荷を測定する、器用なロボットシステムの前記指骨の一部であることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
11. 第一端部、第二端部及び中央部を備えると共に、少なくとも３つの部位を有し、前記第一端部及び前記中央部に接続される第一Ｓ形状部材と、少なくとも３つの部位を有し、前記第二端部及び前記中央部に接続される第二Ｓ形状部材とを備えるフレキシブルひずみ素子であって、前記第一及び第二Ｓ形状部材が曲がった構成を有することにより一般Ｕ形状を有するフレキシブルひずみ素子と、
    前記第一及び第二Ｓ形状部材に搭載される８つのひずみゲージ対であって、各ひずみゲージ対が、各Ｓ形状部材の各部位の１つの対向する両面に搭載され、４つのひずみゲージ対が前記第一Ｓ形状部材に含まれ、他の４つのひずみゲージ対が前記第二Ｓ形状部材に含まれ、６つの自由度におけるひずみ測定値を提供する８つのひずみゲージ対と、
    を備えることを特徴とする接触ロードセル。
12. 第一ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の第一部位の対向する両面上に設けられており、第二ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の前記第一部位の他の対向する２面上に設けられており、第三ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の第二部位の対向する両面上に設けられており、第四ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の前記第二部位の他の対向する２面上に設けられており、第五ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の第一部位の対向する両面上に設けられており、第六ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の前記第一部位の他の対向する２面上に設けられており、第七ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の第二部位の対向する両面上に設けられており、第八ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の前記第二部位の他の対向する２面上に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のロードセル。
13. 前記第一及び第二Ｓ形状部材の前記部位は、断面が矩形であることを特徴とする請求項１１に記載のロードセル。
14. 前記ひずみ素子は、アルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のロードセル。
15. 当該ロードセルは、指骨に掛かる負荷を測定する、器用なロボットシステムの前記指骨の一部であることを特徴とする請求項１１に記載のロードセル。
16. 器用なロボットシステムの指骨のひずみを測定するための接触ロードセルであって、
    第一端部、第二端部及び中央部を備えると共に、少なくとも３つの部位を有し、前記第一端部及び前記中央部に接続される第一Ｓ形状部材と、少なくとも３つの部位を有し、前記第二端部及び前記中央部に接続される第二Ｓ形状部材とを備えるフレキシブルひずみ素子と、
    前記第一及び第二Ｓ形状部材に搭載される８つのひずみゲージ対であって、各ひずみゲージ対が、各Ｓ形状部材の各部位の１つの対向する両面に搭載され、４つのひずみゲージ対が前記第一Ｓ形状部材に含まれ、他の４つのひずみゲージ対が前記第二のＳ形状部材に含まれ、ひずみ測定値及び６つの自由度を提供する８つのひずみゲージ対と、
    を備えることを特徴とする接触ロードセル。
17. 第一ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の第一部位の対向する両面上に設けられており、第二ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の前記第一部位の他の対向する２面上に設けられており、第三ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の第二部位の対向する両面上に設けられており、第四ひずみゲージ対が、前記第一Ｓ形状部材の前記第二部位の他の対向する２面上に設けられており、第五ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の第一部位の対向する両面上に設けられており、第六ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の前記第一部位の他の対向する２面上に設けられており、第七ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の第二部位の対向する両面上に設けられており、第八ひずみゲージ対が、前記第二Ｓ形状部材の前記第二部位の他の対向する２面上に設けられていることを特徴とする請求項１６に記載のロードセル。
18. 前記ひずみ素子は、一般Ｕ形状を有していることを特徴とする請求項１６に記載のロードセル。
19. 前記第一及び第二端部は、接続溝穴を有していることを特徴とする請求項１６に記載のロードセル。
20. 前記ひずみ素子は、アルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１６に記載のロードセル。
    

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