JP5836633B2

JP5836633B2 - 力覚センサ及び組立ロボット

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Inventors: 真路上野
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Description

本発明は、互いに直交するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３次元座標空間における各軸の並進方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及び各軸の回転方向のモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する６軸の力覚センサ、及び力覚センサを備えた組立ロボットに関するものである。

６軸の力覚センサは、例えば、部品の組立を行う組立ロボットなどに用いられ、ロボットアームの手首部分に取付けられ、組付け作業の際に生じる力やモーメント成分を検出し、ハンド部の姿勢制御を行うために用いられる。この力覚センサは、例えばロボットアームに固定される台座部材と、例えばハンド部に固定され、台座部材に対して外力に応じて変位する作用部材とを備えている。台座部材と作用部材とは弾性体で連結されている。

作用部材に作用する力やモーメントは、作用部材の変位として変位検出部により検出される。この種の変位検出部としては、作用部材に印加された力によって弾性体に生じた歪による歪ゲージの抵抗変化から作用部材の変位を検出するものがある（特許文献１参照）。また、磁束発生源及び磁電変換素子からなる磁気式の変位検出部も提案されている（特許文献２参照）。この磁気式の変位検出部を用いることで歪ゲージを用いた場合よりも耐久性が向上する。したがって、この力覚センサを組立ロボットに適用することで信頼性が向上する。

特開平１−２６２４３１号公報特開２００９−７５０８３号公報

近年、組立ロボットにおいては、精密作業が要求されるようになってきており、力覚センサによる力及びモーメントの検出精度の更なる向上が求められている。しかし、力覚センサにおいては、例えばＸ軸方向に外力を作用部材に加えた場合に、モーメント成分Ｍｙも同時に生じてしまうような他軸干渉の問題がある。したがって、力及びモーメントの検出精度を向上させるには、この他軸干渉による検出誤差をできるだけ小さくする必要があった。

そこで、本発明は、各軸の相互間の干渉による検出誤差を小さくし、対象とする力及びモーメントを高精度で検出できる力覚センサ、及び力覚センサを備えた組立ロボットを提供することを目的とするものである。

本発明の力覚センサは、平板状の台座部材と、前記台座部材に相対して配置され、外力が作用して前記台座部材に対して変位する作用部材と、前記台座部材に対する前記作用部材の変位を検出する変位検出部と、前記台座部材に相対して配置された剛性部材と、前記台座部材に垂直な軸線まわりに間隔を開けて配置され、前記台座部材と前記剛性部材とを連結する少なくとも３つの柱状弾性部材と、前記軸線まわりに間隔を開けて配置され、前記作用部材と前記剛性部材とを連結する４つの弾性部と、を備え、前記各弾性部は、前記台座部材に対して水平方向に延びる一対の梁状弾性部材を有して構成されており、前記変位検出部は、前記台座部材及び作用部材のうち一方の部材に設けられた磁束発生源と、前記台座部材及び作用部材のうち他方の部材に設けられた磁電変換素子と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、台座部材に対して垂直な垂直方向の外力が作用部材に印加されたときには、柱状弾性部材が台座部材に対して垂直方向に延びているので、柱状弾性部材はほとんど撓まず剛体として作用する。このとき、梁状弾性部材は、台座部材に対して垂直方向に撓み、作用部材が垂直方向に変位する。また、台座部材に対して水平な水平方向に外力が印加されたときには、梁状弾性部材が水平方向に延びているので、梁状弾性部材はほとんど撓まず剛体として作用する。このとき、柱状弾性部材は、台座部材に対して水平方向に撓み、作用部材が水平方向に変位する。また、台座部材に対して水平な軸まわりのモーメントに対しては、柱状弾性部材はほとんど撓まないが、梁状弾性部材には撓みが生じる。したがって、作用部材は、台座部材に対して水平な軸まわりの変位が生じる。同様に、台座部材に対して垂直な軸まわりのモーメントに対しては、梁状弾性部材はほとんど撓まないが、柱状弾性部材には撓みが生じる。したがって、作用部材は、台座部材に対して垂直な軸まわりの変位が生じる。このため、各軸の相互間の干渉による検出誤差が小さくなり、対象とする力及びモーメントを高精度に検出することができる。

本発明の第１実施形態に係る力覚センサの概略構成を示す説明図であり、（ａ）は力覚センサの斜視図、（ｂ）は（ａ）とは異なる方向から見た力覚センサの斜視図である。本発明の第１実施形態に係る力覚センサの変位検出部を説明するための図であり、（ａ）は、力覚センサの正面図、（ｂ）は、力覚センサの断面図である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の並進方向に作用部材に力が印加された場合のセンサ本体の変形状態を示す図である。（ａ）はＸ軸方向に作用部材に力Ｆｘが印加された場合、（ｂ）はＹ軸方向に作用部材に力Ｆｙが印加された場合、（ｃ）はＺ軸方向に作用部材に力Ｆｚが印加された場合を示すセンサ本体の断面図である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸まわりの回転方向に作用部材にモーメントが印加された場合のセンサ本体の変形状態を示す図である。（ａ）はＸ軸まわりに作用部材にモーメントＭｘが印加された場合、（ｂ）はＹ軸まわりに作用部材にモーメントＭｙが印加された場合を示すセンサ本体の断面図である。（ｃ）はＺ軸まわりに作用部材にモーメントＭｚが印加された場合を示すセンサ本体の斜視図である。本発明の第２実施形態に係る力覚センサの概略構成を示す斜視図である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の並進方向に作用基体に力が印加された場合のセンサ本体の変形状態を示す図である。（ａ）はＸ軸方向に作用基体に力Ｆｘが印加された場合、（ｂ）はＹ軸方向に作用基体に力Ｆｙが印加された場合、（ｃ）はＺ軸方向に作用基体に力Ｆｚが印加された場合を示すセンサ本体の断面図である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸まわりの回転方向に作用基体にモーメントが印加された場合のセンサ本体の変形状態を示す図である。（ａ）はＸ軸まわりに作用基体にモーメントＭｘが印加された場合、（ｂ）はＹ軸まわりに作用基体にモーメントＭｙが印加された場合を示すセンサ本体の断面図である。（ｃ）はＺ軸まわりに作用基体にモーメントＭｚが印加された場合を示すセンサ本体の斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサの概略構成を示す説明図であり、図１（ａ）は力覚センサの斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）とは異なる方向から見た力覚センサの斜視図である。

図１に示す力覚センサ１００は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の並進方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の回転方向のモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する６軸の力覚センサである。力覚センサ１００は、一対の被測定対象（不図示）の間に配置される。例えば一対の被測定対象のうちの一方の被測定対象はロボットアームであり、他方の被測定対象はハンド部であって、ロボットアームの先端には、力覚センサ１００を介してハンド部が設けられている。

力覚センサ１００は、平板状の台座部材１０１と、台座部材１０１に相対して配置され、外力が作用して台座部材１０１に対して変位する平板状の作用部材１０２とを備えている。台座部材１０１は、一方の被測定対象に固定され、作用部材１０２は、他方の被測定対象に固定される。この作用部材１０２は、変位がないときには、台座部材１０１と平行である。また、台座部材１０１及び作用部材１０２は、外力の作用で容易に変形しない剛体で形成されている。台座部材１０１は、円板状に形成されているが、これに限定するものではなく、四角形の板状等、どのような形状の平板であってもよい。

また、力覚センサ１００は、台座部材１０１に相対して配置された剛性部材１０３を備えている。この剛性部材１０３は、環状（本第１実施形態では、円環状）に形成された剛性基体１０３ａを有している。この剛性基体１０３ａは、台座部材１０１と任意の間隔をとり、台座部材１０１に平行に相対して配置されている。剛性基体１０３ａは、外周の形状が台座部材１０１の外周の形状と同一に設定されている。そして、剛性基体１０３ａの内側に作用部材１０２が配置されている。また、剛性部材１０３は、台座部材１０１の平面に垂直な軸線Ｌまわりに間隔を開けて配置され、剛性基体１０３ａから内側に突出する４つの剛性突出片１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ，１０３ｅを有している。本第１実施形態では、軸線Ｌは、台座部材１０１の中心を通るＺ軸に平行な線である。また、本第１実施形態では、４つの剛性突出片１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ，１０３ｅは、台座部材１０１の平面に垂直な軸線Ｌまわりに等間隔（９０度間隔）に配置されている。

剛性基体１０３ａ及び各剛性突出片１０３ｂ〜１０３ｅは、外力の作用により変形しない剛体からなる。そして、各剛性突出片１０３ｂ〜１０３ｅは、剛性基体１０３ａに固定されている。

更に、力覚センサ１００は、軸線Ｌまわりに間隔を開けて配置され、作用部材１０２の外周面と剛性部材１０３の剛性突出片１０３ｂ〜１０３ｅとを連結する４つの弾性部１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ，１０４Ｄを備えている。本第１実施形態では、４つの弾性部１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ，１０４Ｄは、軸線Ｌまわりに等間隔（９０度間隔）に配置されている。

各弾性部１０４Ａ〜１０４Ｄは、台座部材１０１に対して水平な水平方向に延びる少なくとも１つの梁状弾性部材からなり、本第１実施形態では、一対の梁状弾性部材からなる。具体的には、弾性部１０４Ａは、一対の梁状弾性部材１０４ａ，１０４ｂからなり、弾性部１０４Ｂは、一対の梁状弾性部材１０４ｃ，１０４ｄからなり、弾性部１０４Ｃは、一対の梁状弾性部材１０４ｅ，１０４ｆからなる。また、弾性部１０４Ｄは、一対の梁状弾性部材１０４ｇ，１０４ｈからなる。そして、各梁状弾性部材の一端が作用部材１０２に固定され、他端がそれぞれの剛性突出片に固定されている。

各梁状弾性部材１０４ａ〜１０４ｈは、作用部材１０２の厚さよりも薄い厚さの薄肉に形成されている。つまり、作用部材１０２と剛性部材１０３の各剛性突出片とをつないだ各梁状弾性部材１０４ａ〜１０４ｈは、板ばね状に形成されており、台座部材１０１に垂直な垂直方向に撓み変形可能となる。

また、各弾性部１０４Ａ〜１０４Ｄの一対の梁状弾性部材は、軸線Ｌの方向に並べて配置されている。なお、一対の梁状弾性部材は、任意の間隔でよいが、本第１実施形態では作用部材１０２の厚さ程度の間隔に設定されている。このとき、梁状弾性部材１０４ａと梁状弾性部材１０４ｂ、梁状弾性部材１０４ｃと梁状弾性部材１０４ｄ、梁状弾性部材１０４ｅと梁状弾性部材１０４ｆ、梁状弾性部材１０４ｇと梁状弾性部材１０４ｈの間隔はすべて等しい。

本第１実施形態では、十字形状の剛体であって、四方向に延びる剛体片のそれぞれに貫通孔を設けることで、一対の梁状弾性部材が作用部材１０２及び各剛性突出片１０３ｂ〜１０３ｅと一体に形成されている。なお、この貫通孔は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように正方形状に形成されているが、円形状や長方形状に形成されていてもよい。

更にまた、力覚センサ１００は、台座部材１０１に対して垂直方向に延び、台座部材１０１と剛性部材１０３の剛性基体１０３ａとを連結する少なくとも３つ（本第１実施形態では４つ）の柱状弾性部材１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄを備えている。４つの柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄは、軸線Ｌまわりに等間隔（９０度間隔）に配置されている。つまり、剛性基体１０３ａは、台座部材１０１に対して３点以上で支持されていればよく、本第１実施形態では、４点支持としている。このように台座部材１０１と剛性基体１０３ａとをつないだ柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄは、台座部材１０１に水平な水平方向に撓み変形可能となる。

そして、各柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄは、円柱や角柱等、いかなる柱状のものでもよいが、本第１実施形態では、四角柱としている。そして、各柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄの一つの面が軸線Ｌ側を向くように、各柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄは、図１中、Ｘ軸及びＹ軸に対して斜めに配置されている。なお、各柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄの一つの面がＸ軸又はＹ軸に対し平行な面で形成された角柱でもよい。

これら台座部材１０１、作用部材１０２、剛性部材１０３、弾性部１０４Ａ〜１０４Ｄ、柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄによりセンサ本体が構成される。

図２は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサの変位検出部を説明するための図であり、図２（ａ）は、力覚センサ１００の正面図、図２（ｂ）は、力覚センサ１００の断面図である。力覚センサ１００は、台座部材１０１に対する作用部材１０２の変位を検出する変位検出部３００を備えている。

変位検出部３００は、台座部材１０１及び作用部材１０２のうちの一方の部材、本第１実施形態では台座部材１０１に設けられた磁束発生源３０７を有している。また、変位検出部３００は、磁束発生源３０７に対向するように他方の部材、本第１実施形態では作用部材１０２に設けられた磁電変換素子３０６ａ〜３０６ｄを有している。

磁電変換素子３０６ａ〜３０６ｄは、回路基板３０８に所定の間隔をあけて実装されている。そして、回路基板３０８が回路基板取付部材３０９を介して作用部材１０２に固定されている。

磁束発生源３０７は、台座部材１０１の一方の被測定対象が固定される面とは反対側の面、即ち台座部材１０１の内側の面に固定されている。また、回路基板３０８は、作用部材１０２の他方の被測定対象が固定される面とは反対側の面、即ち作用部材１０２の内側の面に固定されている。そして、磁束発生源３０７と磁電変換素子３０６ａ〜３０６ｄとが向かい合うようにそれぞれが配置されている。

なお、磁束発生源３０７と磁電変換素子３０６ａ〜３０６ｄとの配置関係が逆であってもよく、その場合は、磁束発生源３０７が作用部材１０２に設けられ、磁電変換素子３０６ａ〜３０６ｄが台座部材１０１に設けられる。

なお、ここでは、変位検出部３００として、磁気を利用したものを例に挙げ説明したが、この構成を限定するものではなく、例えば静電容量の変化を利用した変位検出部でも良いし、光学式の変位検出部を用いても良い。

次に、力覚センサ１００の動作について図３及び図４を参照しながら説明する。なお、図３及び図４において、変位検出部３００の図示を省略している。図３は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の並進方向に作用部材１０２に力が印加された場合のセンサ本体の変形状態を示す図である。図３（ａ）はＸ軸方向に作用部材１０２に力Ｆｘが印加された場合、図３（ｂ）はＹ軸方向に作用部材１０２に力Ｆｙが印加された場合、図３（ｃ）はＺ軸方向に作用部材１０２に力Ｆｚが印加された場合を示すセンサ本体の断面図である。

また、図４は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸まわりの回転方向に作用部材１０２にモーメントが印加された場合のセンサ本体の変形状態を示す図である。図４（ａ）はＸ軸まわりに作用部材１０２にモーメントＭｘが印加された場合、図４（ｂ）はＹ軸まわりに作用部材１０２にモーメントＭｙが印加された場合を示すセンサ本体の断面図である。図４（ｃ）はＺ軸まわりに作用部材１０２にモーメントＭｚが印加された場合を示すセンサ本体の斜視図である。

まず図３（ａ）に示すように、作用部材１０２に、台座部材１０１に対して水平方向（Ｘ軸方向）に力Ｆｘが印加されると、各弾性部１０４Ａ〜１０４Ｄの梁状弾性部材１０４ａ〜１０４ｈは、水平方向の力に対してはほとんど撓まない剛体として作用する。これに対し、柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄは、水平方向（Ｘ軸方向）に撓む。したがって、作用部材１０２は、弾性部１０４Ａ〜１０４Ｄ及び剛性部材１０３と共に水平方向に変位する。同様に、図３（ｂ）に示すように、作用部材１０２に、台座部材１０１に対して水平方向（Ｙ軸方向）に力Ｆｙが印加されると、各弾性部１０４Ａ〜１０４Ｄの梁状弾性部材１０４ａ〜１０４ｈは、水平方向の力に対してはほとんど撓まず剛体として作用する。これに対し、柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄは、水平方向（Ｙ軸方向）に撓む。したがって、作用部材１０２は、弾性部１０４Ａ〜１０４Ｄ及び剛性部材１０３と共に水平方向に変位する。

また、図３（ｃ）に示すように、作用部材１０２に、台座部材１０１に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に力Ｆｚが印加された場合には、各柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄは、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対してほとんど撓まず剛体として作用する。これに対し、梁状弾性部材１０４ａ〜１０４ｈはＺ軸方向へ撓み、作用部材１０２はＺ軸方向へ変位する。

更に、図４（ａ）に示すように、作用部材１０２に、Ｘ軸まわりにモーメントＭｘが印加された場合には、柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄはほとんど撓まない。これに対し、梁状弾性部材１０４ａ〜１０４ｈには撓みが生じる。これにより、作用部材１０２にはＸ軸まわりの変位が生じる。同様に、図４（ｂ）に示すように、作用部材１０２に、Ｙ軸まわりにモーメントＭｙが印加された場合にも、柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄはほとんど撓まない。これに対し、梁状弾性部材１０４ａ〜１０４ｈには撓みが生じる。これにより、作用部材１０２にはＹ軸まわりの変位が生じる。

また、図４（ｃ）に示すように、作用部材１０２に、Ｚ軸まわりにモーメントＭｚが印加された場合には、梁状弾性部材１０４ａ〜１０４ｈはほとんど撓まず、柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄには撓みが生じる。これら柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄの撓み変形により、作用部材１０２にはＺ軸まわりの変位が生じる。

したがって、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元座標空間における各軸の並進方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚならびに各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの相互間の干渉による検出誤差が小さくなる。

これら作用部材１０２の変位は、変位検出部３００（図２参照）により検出される。つまり、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元座標空間における各軸の並進方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ並びに各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚに対し、図３及び図４に示した変位が磁電変換素子３０６ａ〜３０６ｄに与えられる。これにより、台座部材１０１に設けられた磁束発生源３０７と、作用部材１０２に設けられた磁電変換素子３０６ａ〜３０６ｄの間に生じた相対的な変位量が、磁電変換素子３０６ａ〜３０６ｄにおける磁束密度の変化として検出される。磁電変換素子３０６ａ〜３０６ｄからは、磁束発生源３０７と磁電変換素子３０６ａ〜３０６ｄの間に生じた相対的な変位量に比例した電気的変位量が得られる。このように、力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚに対応する作用部材１０２の変位量は、変位検出部３００により検出される。以上、変位検出部３００は、他軸干渉が低減されている作用部材１０２の変位を検出しているので、対象とする力及びモーメントを高精度に検出することができる。

また、本第１実施形態では、一対の梁状弾性部材１０４ａ，１０４ｂ、一対の梁状弾性部材１０４ｃ，１０４ｄ、一対の梁状弾性部材１０４ｅ，１０４ｆ、及び一対の梁状弾性部材１０４ｇ，１０４ｈを所定の間隔として平行に構成している。また、柱状弾性部材１０５ａ〜１０５ｄを四角柱で構成している。従って、一対の梁状弾性部材の厚みや間隔、四角柱のＸＹ平面で切断した断面の直角に交わった２辺のそれぞれの長さをパラメータとし設計することで、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが印加された際の作用部材１０２の変位量を独立して設計できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る力覚センサについて説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る力覚センサの概略構成を示す斜視図である。図５に示す力覚センサ２００は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の並進方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の回転方向のモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する６軸の力覚センサである。力覚センサ２００は、一対の被測定対象（不図示）の間に配置される。例えば一対の被測定対象のうちの一方の被測定対象はロボットアームであり、他方の被測定対象はハンド部であって、ロボットアームの先端には、力覚センサ２００を介してハンド部が設けられている。

力覚センサ２００は、平板状の台座部材２０１と、作用部材２０２とを備えている。台座部材２０１は、一方の被測定対象に固定され、作用部材２０２は、他方の被測定対象に固定される。台座部材２０１及び作用部材２０２は、外力の作用で容易に変形しない剛体で形成されている。台座部材２０１は、円板状に形成されているが、これに限定するものではなく、四角形の板状等、どのような形状の平板であってもよい。

作用部材２０２は、台座部材２０１に相対して配置され、外力が作用して台座部材２０１に対して変位する平板状の作用基体２０２ａを有している。この作用基体２０２ａは、変位がないときには、台座部材２０１と平行である。また、作用基体２０２ａは、外周の形状が台座部材２０１と同一形状に設定されている。そして、本第２実施形態では、作用基体２０２ａは、環状（本第２実施形態では、円環状）に形成されている。

更に、作用部材２０２は、台座部材２０１の平面に垂直な軸線Ｌまわりに間隔を開けて配置され、作用基体２０２ａから台座部材２０１の方向（台座部材側）に突出する２つの突出片２０２ｂ，２０２ｃを有している。本第２実施形態では、軸線Ｌは、台座部材２０１の中心を通るＺ軸に平行な線である。また、本第２実施形態では、２つの突出片２０２ｂ，２０２ｃは、台座部材２０１の平面に垂直な軸線Ｌまわりに等間隔（１８０度間隔）に配置されている。

また、力覚センサ２００は、台座部材２０１に相対して配置された剛性部材２０３を備えている。この剛性部材２０３は、台座部材２０１と作用基体２０２ａとの間に配置され、環状（本第２実施形態では、円環状）に形成された剛性基体２０３ａを有している。剛性基体２０３ａは、台座部材２０１と任意の間隔をとり、台座部材２０１に平行に配置されている。剛性基体２０３ａは、外周の形状が台座部材２０１の外周の形状と同一に設定されている。

更に、剛性部材２０３は、剛性基体２０３ａから作用基体２０２ａの方向（作用基体側）に突出して突出片２０２ｂ，２０２ｃと互い違いとなるように軸線Ｌまわりに間隔を開けて配置された２つの剛性突出片２０３ｂ，２０３ｃを有している。本第２実施形態では、２つの剛性突出片２０３ｂ，２０３ｃは、剛性基体２０３ａから作用基体２０２ａの方向（作用基体側）に突出して突出片２０２ｂ，２０２ｃと互い違いとなるように軸線Ｌまわりに等間隔（１８０度間隔）に配置されている。

剛性基体２０３ａ及び各剛性突出片２０３ｂ，２０３ｃは、外力の作用により変形しない剛体からなる。そして、各剛性突出片２０３ｂ，２０３ｃは、剛性基体２０３ａに固定されている。

このとき、作用基体２０２ａと剛性突出片２０３ｂ，２０３ｃとは、作用基体２０２ａが必要とされる変位を生じさせることを阻害しないように所定の間隔が設けられている。同様に、剛性基体２０３ａと突出片２０２ｂ，２０２ｃとは、作用基体２０２ａが必要とされる変位を生じさせることを阻害しないように所定の間隔が設けられている。

更に、力覚センサ２００は、軸線Ｌまわりに間隔を開けて配置され、作用部材２０２の突出片２０２ｂ，２０２ｃと剛性部材２０３の剛性突出片２０３ｂ，２０３ｃとを連結する４つの弾性部２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃ，２０４Ｄを備えている。具体的には、弾性部２０４Ａは突出片２０２ｂと剛性突出片２０３ｂとを連結し、弾性部２０４Ｂは突出片２０２ｂと剛性突出片２０３ｃとを連結し、弾性部２０４Ｃは突出片２０２ｃと剛性突出片２０３ｃとを連結する。また弾性部２０４Ｄは突出片２０２ｃと剛性突出片２０３ｂとを連結する。本第２実施形態では、４つの弾性部２０４Ａ，２０４Ｂ，２０４Ｃ，２０４Ｄは、軸線Ｌまわりに等間隔（９０度間隔）に配置されている。

各弾性部２０４Ａ〜２０４Ｄは、台座部材２０１に対して水平な水平方向に延びる少なくとも１つの梁状弾性部材からなり、本第２実施形態では、一対の梁状弾性部材からなる。具体的には、弾性部２０４Ａは、一対の梁状弾性部材２０４ａ，２０４ｂからなり、弾性部２０４Ｂは、一対の梁状弾性部材２０４ｃ，２０４ｄからなり、弾性部２０４Ｃは、一対の梁状弾性部材２０４ｅ，２０４ｆからなる。また、弾性部２０４Ｄは、一対の梁状弾性部材２０４ｇ，２０４ｈからなる。これら弾性部２０４Ａ〜２０４Ｄの梁状弾性部材２０４ａ〜２０４ｈは、環状に形成された作用基体２０２ａ及び剛性基体２０３ａに沿う周方向に延びるように配置されている。そして、各梁状弾性部材の一端が作用部材２０２の対応する突出片に固定され、他端が剛性部材２０３の対応する剛性突出片に固定されている。

各梁状弾性部材２０４ａ〜２０４ｈは、作用部材２０２の突出片２０２ｂ，２０２ｃの突出量及び剛性部材２０３の剛性突出片２０３ｂ，２０３ｃの突出量よりも薄い厚さの薄肉に形成されている。つまり、作用部材２０２の突出片２０２ｂ，２０２ｃと剛性部材２０３の剛性突出片２０３ｂ，２０３ｃとをつないだ各梁状弾性部材２０４ａ〜２０４ｈは、板ばね状に形成されており、台座部材２０１に垂直な垂直方向に撓み変形可能となる。

また、各弾性部２０４Ａ〜２０４Ｄの一対の梁状弾性部材は、軸線Ｌの方向に並べて配置されている。このとき、梁状弾性部材２０４ａと梁状弾性部材２０４ｂ、梁状弾性部材２０４ｃと梁状弾性部材２０４ｄ、梁状弾性部材２０４ｅと梁状弾性部材２０４ｆ、梁状弾性部材２０４ｇと梁状弾性部材２０４ｈの間隔はすべて等しい。

更にまた、力覚センサ２００は、台座部材２０１に対して垂直方向に延び、台座部材２０１と剛性部材２０３の剛性基体２０３ａとを連結する少なくとも３つ（本第２実施形態では４つ）の柱状弾性部材２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃ，２０５ｄを備えている。４つの柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄは、軸線Ｌまわりに間隔を開けて配置されている。本第２実施形態では、４つの柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄは、軸線Ｌまわりに等間隔（９０度間隔）に配置されている。つまり、剛性基体２０３ａは、台座部材２０１に対して３点以上で支持されていればよく、本第２実施形態では、４点支持としている。このように台座部材２０１と剛性基体２０３ａとをつないだ柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄは、台座部材２０１に水平な水平方向に撓み変形可能となる。

そして、各柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄは、円柱や角柱等、いかなる柱状のものでもよいが、本第２実施形態では、四角柱としている。そして、各柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄの一つの面が軸線Ｌ側を向くように、各柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄは、図５中、Ｘ軸及びＹ軸に対して斜めに配置されている。なお、各柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄの一つの面がＸ軸又はＹ軸に対し平行な面で形成された角柱でもよい。

これら台座部材２０１、作用部材２０２、剛性部材２０３、弾性部２０４Ａ〜２０４Ｄ、柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄによりセンサ本体が構成される。

ここで、力覚センサ２００は、上記第１実施形態の変位検出部３００（図２）と同様の、台座部材２０１に対する作用基体２０２ａの変位を検出する変位検出部を備えており、図５においては図示を省略する。

なお、本第２実施形態では、作用基体２０２ａ及び剛性基体２０３ａを環状（貫通孔のある平板状）に形成したが、この形状に限定するものではなく、貫通孔のない平板状に形成してもよい。この場合、台座部材２０１を環状に形成してもよく、センサ本体を２つ以上設ける場合は、貫通孔がなくてもよい。

次に、力覚センサ２００の動作について図６及び図７を参照しながら説明する。なお、図６及び図７において、変位検出部の図示を省略している。図６は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の並進方向に作用基体２０２ａに力が印加された場合のセンサ本体の変形状態を示す図である。図６（ａ）はＸ軸方向に作用基体２０２ａに力Ｆｘが印加された場合、図６（ｂ）はＹ軸方向に作用基体２０２ａに力Ｆｙが印加された場合、図６（ｃ）はＺ軸方向に作用基体２０２ａに力Ｆｚが印加された場合を示すセンサ本体の断面図である。

また、図７は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸まわりの回転方向に作用基体２０２ａにモーメントが印加された場合のセンサ本体の変形状態を示す図である。図７（ａ）はＸ軸まわりに作用基体２０２ａにモーメントＭｘが印加された場合、図７（ｂ）はＹ軸まわりに作用基体２０２ａにモーメントＭｙが印加された場合を示すセンサ本体の断面図である。図７（ｃ）はＺ軸まわりに作用基体２０２ａにモーメントＭｚが印加された場合を示すセンサ本体の斜視図である。

まず図６（ａ）に示すように、作用基体２０２ａに、台座部材２０１に対して水平方向（Ｘ軸方向）に力Ｆｘが印加されると、各弾性部２０４Ａ〜２０４Ｄの梁状弾性部材２０４ａ〜２０４ｈは、水平方向の力に対してはほとんど撓まない剛体として作用する。これに対し、柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄは、水平方向（Ｘ軸方向）に撓む。したがって、作用部材２０２は、弾性部２０４Ａ〜２０４Ｄ及び剛性部材２０３と共に水平方向に変位する。同様に、図６（ｂ）に示すように、作用基体２０２ａに、台座部材２０１に対して水平方向（Ｙ軸方向）に力Ｆｙが印加されると、各弾性部２０４Ａ〜２０４Ｄの梁状弾性部材２０４ａ〜２０４ｈは、水平方向の力に対してはほとんど撓まず剛体として作用する。これに対し、柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄは、水平方向（Ｙ軸方向）に撓む。したがって、作用部材２０２は、弾性部２０４Ａ〜２０４Ｄ及び剛性部材２０３と共に水平方向に変位する。

また、図６（ｃ）に示すように、作用基体２０２ａに、台座部材２０１に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に力Ｆｚが印加された場合には、各柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄは、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対してほとんど撓まず剛体として作用する。これに対し、梁状弾性部材２０４ａ〜２０４ｈはＺ軸方向へ撓み、作用部材２０２はＺ軸方向へ変位する。

更に、図７（ａ）に示すように、作用基体２０２ａに、Ｘ軸まわりにモーメントＭｘが印加された場合には、柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄはほとんど撓まない。これに対し、梁状弾性部材２０４ａ〜２０４ｈには撓みが生じる。これにより、作用部材２０２にはＸ軸まわりの変位が生じる。同様に、図７（ｂ）に示すように、作用基体２０２ａに、Ｙ軸まわりにモーメントＭｙが印加された場合にも、柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄはほとんど撓まない。これに対し、梁状弾性部材２０４ａ〜２０４ｈには撓みが生じる。これにより、作用部材２０２にはＹ軸まわりの変位が生じる。

また、図７（ｃ）に示すように、作用基体２０２ａに、Ｚ軸まわりにモーメントＭｚが印加された場合には、梁状弾性部材２０４ａ〜２０４ｈはほとんど撓まず、柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄには撓みが生じる。これら柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄの撓み変形により、作用部材２０２にはＺ軸まわりの変位が生じる。

したがって、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元座標空間における各軸の並進方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚならびに各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの相互間の干渉による検出誤差が小さくなる。そして、変位検出部は、他軸干渉が低減されている作用部材２０２の作用基体２０２ａの変位を検出しているので、対象とする力及びモーメントを高精度に検出することができる。

また、本第２実施形態では、一対の梁状弾性部材２０４ａ，２０４ｂ、一対の梁状弾性部材２０４ｃ，２０４ｄ、一対の梁状弾性部材２０４ｅ，２０４ｆ、及び一対の梁状弾性部材２０４ｇ，２０４ｈを所定の間隔として平行に構成している。また、柱状弾性部材２０５ａ〜２０５ｄを四角柱で構成している。従って、一対の梁状弾性部材の厚みや間隔、四角柱のＸＹ平面で切断した断面の直角に交わった２辺のそれぞれの長さをパラメータとし設計することで、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが印加された際の作用部材２０２の変位量を独立して設計できる。

更に、本第２実施形態では、作用基体２０２ａ及び剛性基体２０３ａが環状に形成され、梁状弾性部材２０４ａ〜２０４ｈが環状に形成された作用基体２０２ａ及び剛性基体２０３ａに沿って配置されている。したがって、作用基体２０２ａにモーメントＭｘ，Ｍｙが加わった際に、作用基体２０２ａの回転中心又はその近傍に変位検出部を配置することができ、上記第１実施形態の力覚センサ１００よりも更に高精度に力及びモーメントを検出することができる。

なお、上記実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

１００…力覚センサ、１０１…台座部材、１０２…作用部材、１０３…剛性部材、１０３ａ…剛性基体、１０３ｂ〜１０３ｅ…剛性突出片、１０４Ａ〜１０４Ｄ…弾性部、１０４ａ〜１０４ｈ…梁状弾性部材、１０５ａ〜１０５ｄ…柱状弾性部材、２００…力覚センサ、２０１…台座部材、２０２…作用部材、２０２ａ…作用基体、２０２ｂ，２０２ｃ…突出片、２０３…剛性部材、２０３ａ…剛性基体、２０３ｂ，２０３ｃ…剛性突出片、２０４Ａ〜２０４Ｄ…弾性部、２０４ａ〜２０４ｈ…梁状弾性部材、２０５ａ〜２０５ｄ…柱状弾性部材、３００…変位検出部

Claims

平板状の台座部材と、
前記台座部材に相対して配置され、外力が作用して前記台座部材に対して変位する作用部材と、
前記台座部材に対する前記作用部材の変位を検出する変位検出部と、
前記台座部材に相対して配置された剛性部材と、
前記台座部材に垂直な軸線まわりに間隔を開けて配置され、前記台座部材と前記剛性部材とを連結する少なくとも３つの柱状弾性部材と、
前記軸線まわりに間隔を開けて配置され、前記作用部材と前記剛性部材とを連結する４つの弾性部と、を備え、
前記各弾性部は、前記台座部材に対して水平方向に延びる一対の梁状弾性部材を有して構成されており、
前記変位検出部は、前記台座部材及び作用部材のうち一方の部材に設けられた磁束発生源と、前記台座部材及び作用部材のうち他方の部材に設けられた磁電変換素子と、を有することを特徴とする力覚センサ。
平板状の台座部材と、
前記台座部材に相対して配置され、環状に形成された剛性基体と、
前記台座部材に垂直な軸線まわりに間隔を開けて配置され、前記剛性基体から内側に突出する４つの剛性突出片と、
前記剛性基体の内側に配置され、外力が作用して前記台座部材に対して変位する作用部材と、
前記台座部材に対する前記作用部材の変位を検出する変位検出部と、
前記軸線まわりに間隔を開けて配置され、前記台座部材と前記剛性基体とを連結する少なくとも３つの柱状弾性部材と、
前記作用部材と前記剛性突出片とを連結する４つの弾性部と、を備え、
前記各弾性部は、前記台座部材に対して水平方向に延びる一対の梁状弾性部材を有して構成されており、
前記変位検出部は、前記台座部材及び作用部材のうち一方の部材に設けられた磁束発生源と、前記台座部材及び作用部材のうち他方の部材に設けられた磁電変換素子と、を有することを特徴とする力覚センサ。
平板状の台座部材と、
前記台座部材に相対して配置され、外力が作用して前記台座部材に対して変位する作用基体と、
前記台座部材に対する前記作用基体の変位を検出する変位検出部と、
前記台座部材に垂直な軸線まわりに間隔を開けて配置され、前記作用基体から前記台座部材の方向に突出する２つの突出片と、
前記台座部材と前記作用基体との間に配置された剛性基体と、
前記剛性基体から前記作用基体の方向に突出して前記突出片と互い違いとなるように前記軸線まわりに間隔を開けて配置された２つの剛性突出片と、
前記軸線まわりに間隔を開けて配置され、前記台座部材と前記剛性基体とを連結する少なくとも３つの柱状弾性部材と、
前記突出片と前記剛性突出片とを連結する４つの弾性部と、を備え、
前記各弾性部は、前記台座部材に対して水平方向に延びる梁状弾性部材を有して構成されていることを特徴とする力覚センサ。
前記一対の梁状弾性部材は、二枚の板ばねである請求項１または２に記載の力覚センサ。
ロボットアーム、ハンド部および請求項１乃至４のいずれか一項に記載の力覚センサを備えた組立ロボット。