JP6654161B2 - 力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、力検出装置に関する。

特開平０４−３０４９８８号公報（特許文献１）は、ロボットハンドに関する発明を開示しており、ロボットハンドの指先を構成する部材（弾性キャップ）の材質として、シリコンゴムを挙げている。これに対して近年では、インフレータブル構造を備えたロボットハンドの開発が進められている。プラスティックシートを用いて流体袋を形成し、この流体袋の内部に空気などの流体が充填される。

インフレータブルロボットにおいては、このような流体袋が、構造部材やアクチュエータとして利用される。流体袋を備えたインフレータブルロボットは、空気圧によって駆動でき、金属材料から構成された従来のロボットに比べて軽量で柔軟という特性を発揮することができるため、健康機器分野や介護機器分野などへの応用が期待されている。

健康機器や介護機器の分野では、ロボットと人とが機械的に接触する機会が多いため、インフレータブルロボットが人に与える力を適切に制御することが求められる。たとえば、インフレータブルロボットが身体データを計測したり、身体にマッサージを施療したりする場合、ロボットと身体との間に適切な機械的接触を実現することが要求される。

一般的な産業用ロボットでは、ロードセルやトルクセンサなどの力センサ（力検出装置）を用いることで、力制御が既に実現されている。これらの力センサは、剛体から構成され、一定の質量を有している。これらの力センサは、インフレータブルロボットへ適用すると、インフレータ構造が本来備えている軽量および柔軟という特徴が阻害される。

特開平０４−３０４９８８号公報（特許文献１）に開示されたロボットハンドは、空洞を有する弾性キャップを用いてロボットハンドの指先を構成しており、空洞の内圧を検出することで、指先と物体との間に生じている接触力を把握するというものである。この手法によれば、指先と物体との間に生じている接触力のうち、物体と指先との間の接触面に対して法線方向となる力を算出することができるが、接触面に対して接線方向となる力を算出することはできない。

特開平０４−３０４９８８号公報

本発明は、上述のような実情に鑑みて為されたものであって、接触面に対して接線方向となる力を算出することが可能な力検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１局面に基づく力検出装置は、支持体と、上記支持体によって支持され、シート状の部材によって袋状に形成されるとともに、互いに隣接するように配置された第１流体収容部および第２流体収容部と、上記第１流体収容部および上記第２流体収容部が上記支持体に接触している側とは反対側に配置され、上記第１流体収容部および上記第２流体収容部の双方に隣接するように設けられた接触部と、上記第１流体収容部の内圧および上記第２流体収容部の内圧を検出する検出部と、上記第１流体収容部の内圧および上記第２流体収容部の内圧に関する情報を上記検出部から取得し、物体から上記接触部に外力が加えられた際に上記物体と上記接触部との間の接触面に対して接線方向に作用している力を算出する演算部と、を備え、上記物体から上記接触部に上記外力が加えられた際、上記第１流体収容部および上記第２流体収容部の双方に、上記物体から上記接触部に加えられた上記外力が上記接触部を介して付与されており、上記物体から上記接触部に上記外力が加えられた際、上記演算部は、上記第１流体収容部の内圧と上記第２流体収容部の内圧との間の差に基づいて、上記接触面に対して接線方向に作用している上記力を算出する。

上記力検出装置において好ましくは、上記接触部は、内部に流体を収容した流体袋から構成されている。

上記力検出装置において好ましくは、上記第１流体収容部および上記第２流体収容部の各々は、内部に流体を収容した流体袋から構成されており、上記第１流体収容部を構成している上記流体袋と、上記第２流体収容部を構成している上記流体袋と、上記接触部を構成している上記流体袋とは、互いに接合されている。

上記力検出装置において好ましくは、上記第１流体収容部を構成している上記流体袋と、上記第２流体収容部を構成している上記流体袋と、上記接触部を構成している上記流体袋とは、いずれも、主表面部と、上記主表面部の外周に位置する外周縁部と、を含んでおり、上記接触部を構成している上記流体袋の上記外周縁部の一部と、上記第１流体収容部および上記第２流体収容部の各々を構成している上記流体袋の上記主表面部の一部とが互いに接合されている。

上記力検出装置において好ましくは、上記第１流体収容部を構成している上記流体袋および上記第２流体収容部を構成している上記流体袋の各々は、２枚の上記シート状の部材の外周縁部同士を接合することによって袋状に形成されており、収縮させた状態でこれら上記流体袋の各々を平面視した場合には多角形の外形形状を有している。

上記力検出装置において好ましくは、上記第１流体収容部を構成している上記流体袋および上記第２流体収容部を構成している上記流体袋の各々は、収縮させた状態でこれら上記流体袋の各々を平面視した場合には長方形の外形形状を有している。

上記力検出装置において好ましくは、２枚の上記シート状の部材の上記外周縁部同士が接合されている部分には、当該部分の剛性を高めるための補強部が設けられている。

本発明の第２局面に基づく力検出装置は、支持体と、上記支持体によって支持され、シート状の部材によって袋状に形成されるとともに、互いに隣接するように配置された第１流体収容部、第２流体収容部、第３流体収容部および第４流体収容部と、上記第１流体収容部、上記第２流体収容部、上記第３流体収容部および上記第４流体収容部が上記支持体に接触している側とは反対側に配置され、上記第１流体収容部、上記第２流体収容部、上記第３流体収容部および上記第４流体収容部の全部に隣接するように設けられた接触部と、上記第１流体収容部の内圧、上記第２流体収容部の内圧、上記第３流体収容部の内圧および上記第４流体収容部の内圧を検出する検出部と、上記第１流体収容部の内圧、上記第２流体収容部の内圧、上記第３流体収容部の内圧および上記第４流体収容部の内圧に関する情報を上記検出部から取得し、物体から上記接触部に外力が加えられた際に上記物体と上記接触部との間の接触面に対して接線方向に作用している力を算出する演算部と、を備え、上記物体から上記接触部に上記外力が加えられた際、上記第１流体収容部、上記第２流体収容部、上記第３流体収容部および上記第４流体収容部の全部に、上記物体から上記接触部に加えられた上記外力が上記接触部を介して付与されており、上記第１流体収容部、上記第２流体収容部、上記第３流体収容部および上記第４流体収容部のうちの２つの流体収容部の内圧の和を第１内圧と定義し、上記第１流体収容部、上記第２流体収容部、上記第３流体収容部および上記第４流体収容部のうちの残りの２つの流体収容部の内圧の和を第２内圧と定義すると、上記物体から上記接触部に上記外力が加えられた際、上記演算部は、上記第１内圧と上記第２内圧との間の差に基づいて、上記接触面に対して接線方向に作用している上記力を算出する。

上記力検出装置において好ましくは、上記接触部は、内部に流体を収容した流体袋から構成されている。

上記力検出装置において好ましくは、上記第１流体収容部、上記第２流体収容部、上記第３流体収容部および上記第４流体収容部の各々は、内部に流体を収容した流体袋から構成されており、上記第１流体収容部を構成している上記流体袋と、上記第２流体収容部を構成している上記流体袋と、上記第３流体収容部を構成している上記流体袋と、上記第４流体収容部を構成している上記流体袋と、上記接触部を構成している上記流体袋とは、互いに接合されている。

上記力検出装置において好ましくは、上記第１流体収容部を構成している上記流体袋と、上記第２流体収容部を構成している上記流体袋と、上記第３流体収容部を構成している上記流体袋と、上記第４流体収容部を構成している上記流体袋と、上記接触部を構成している上記流体袋とは、いずれも、主表面部と、上記主表面部の外周に位置する外周縁部と、を含んでおり、上記接触部を構成している上記流体袋の上記外周縁部の一部と、上記第１流体収容部、上記第２流体収容部、上記第３流体収容部および上記第４流体収容部の各々を構成している上記流体袋の上記主表面部の一部とが互いに接合されている。

上記力検出装置において好ましくは、上記第１流体収容部を構成している上記流体袋、上記第２流体収容部を構成している上記流体袋、上記第３流体収容部を構成している上記流体袋および上記第４流体収容部を構成している上記流体袋の各々は、２枚の上記シート状の部材の外周縁部同士を接合することによって袋状に形成されており、収縮させた状態でこれら上記流体袋の各々を平面視した場合には多角形の外形形状を有している。

上記力検出装置において好ましくは、上記第１流体収容部を構成している上記流体袋、上記第２流体収容部を構成している上記流体袋、上記第３流体収容部を構成している上記流体袋および上記第４流体収容部を構成している上記流体袋の各々は、収縮させた状態でこれら上記流体袋の各々を平面視した場合には長方形の外形形状を有している。

上記力検出装置において好ましくは、２枚の上記シート状の部材の上記外周縁部同士が接合されている部分には、当該部分の剛性を高めるための補強部が設けられている。

上記の力検出装置は、複数の流体収容部を備えているため、物体から接触部に外力が加えられた際に、複数の流体収容部同士の間に生じる内圧の差に基づいて、接触面に対して接線方向となる力を算出することができる。

参考技術における力検出装置１０を示す平面図である。 参考技術における力検出装置１０等を示す断面図である。 参考技術における力検出装置１０等の機能構成を示すブロック図である。 参考技術における検証実験１に関し、流体袋ＢＳの内圧の推移を示すグラフである。 参考技術における検証実験１に関し、接触面ＣＳに作用している接触力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの推移（いずれも多項式）を示すグラフである。 参考技術における検証実験２に関するグラフである。 実施の形態１における力検出装置１１を示す平面図である。 実施の形態１における力検出装置１１に備えられる流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２を示す斜視図である。 実施の形態１における力検出装置１１等を示す断面図である。 実施の形態１における演算部Ｃが参照する関数を説明するためのグラフである。 実施の形態の検証実験１のＺ軸方向に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。 実施の形態の検証実験１のＹ軸方向に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。 実施の形態の検証実験２のＺ軸方向に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。 実施の形態の検証実験２のＹ軸方向に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。 実施の形態の検証実験３（両端固定）に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。 実施の形態の検証実験３（両端固定）に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示す他のグラフである。 実施の形態の検証実験３（中央固定）に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。 実施の形態の検証実験３（中央固定）に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示す他のグラフである。 実施の形態２における力検出装置１２を示す断面図である。 実施の形態３における力検出装置１３を示す断面図である。 実施の形態３における力検出装置１３の作用および効果を説明するためのグラフである。 実施の形態４における力検出装置１４を示す断面図である。 実施の形態の検証実験４に関し、初期圧力を７．５ｋＰａに設定した時の、圧力と力との関係を示すグラフである。 実施の形態の検証実験４に関し、初期圧力を３．０ｋＰａに設定した時の、圧力と力との関係を示すグラフである。 実施の形態５における力検出装置１５を示す平面図である。 実施の形態５における力検出装置１５等を示す断面図である。 実施の形態の検証実験５のＸ軸方向に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。 実施の形態の検証実験５のＹ軸方向に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。 実施の形態の検証実験５のＺ軸方向に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。 実施の形態の検証実験６の実験条件を示す図である。 実施の形態の検証実験６に利用した長方形の流体袋を示す平面図である。 実施の形態の検証実験６に利用した正三角形の流体袋を示す平面図である。 実施の形態の検証実験６に利用した正方形の流体袋を示す平面図である。 実施の形態の検証実験６に利用した正五角形の流体袋を示す平面図である。 実施の形態の検証実験６の結果に関して、流体袋の主表面部の変位量と、流体袋の内部圧力の変化との関係を示す図である。 実施の形態の検証実験６の結果に関して、流体袋の主表面部に付与した外力と、流体袋の内部圧力の変化との関係を示す図である。 実施の形態の検証実験６の結果に関して、流体袋の主表面部の変位量と、流体袋の主表面部に付与した外力との関係を示す図である。

［参考技術］
（力検出装置１０）
各実施の形態について説明することに先立って、図１〜図６を参照して、参考技術における力検出装置１０について説明する。図１は、力検出装置１０を示す平面図であり、図２は、力検出装置１０等を示す断面図であり、図３は、力検出装置１０等の機能構成を示すブロック図である。図２、図３においては、力検出装置１０に加えて、力検出装置１０の性能を検証するための検証用装置２０も図示している。

図１〜図３に示すように、力検出装置１０は、制御部１、表示部２（図３）、圧力調整器３（図３）、流体袋ＢＳ、支持体６（図１、図２）、および圧力センサＳを備える。制御部１は、演算部Ｃを含んでおり、たとえば、外部からの入力信号を受け付けることで、圧力調整器３の動作を制御したり、演算部Ｃによって算出した値を表示部２に表示させたりする。制御部１および表示部２は、マイコンやＰＣなどから構成することができる。

流体袋ＢＳは、シート状の部材４，５（図１、図２）を互いに貼り合わせることにより構成される。シート状の部材４，５は、同一の形状を有している。例示すると、幅Ｗは１００ｍｍであり、長さＤは１００ｍｍであり、材質はポリエチレンなどのプラスティックである。

シート状の部材４，５の各々は、主表面部Ｍと、主表面部Ｍの外周に位置する外周縁部Ｎとを有している。流体袋ＢＳは、シート状の部材４，５の外周縁部Ｎ同士を接合することにより袋状に形成される。流体袋ＢＳの内部には密閉の空間ＴＳが形成され、圧力調整器３によって空間ＴＳ内には流体（典型的には空気などの気体）が充填される。

圧力センサＳは、流体袋ＢＳ内に収容される。圧力センサＳは、流体袋ＢＳ（空間ＴＳ）の内圧を検出する。圧力センサＳとしては、オムロン株式会社製の絶対圧センサ「２ＳＭＰＢ−０１（圧力測定範囲：３０ｋＰａ〜１１０ｋＰａ）」を用いることができる。流体袋ＢＳの周縁の一部には、ポートＢＰが設けられており、圧力センサＳと制御部１とは、このポートＢＰを通して接続することができる。

流体袋ＢＳ内の空間ＴＳと圧力調整器３とについても、このポートＢＰを通して連通するように構成される。図１，図２に示す圧力センサＳは、流体袋ＢＳの内部に配置され、圧力調整器３とは独立して構成されている。圧力センサＳは、流体袋ＢＳ（空間ＴＳ）の内圧を検出することが可能であれば、流体袋ＢＳの外部に配置されていてもよく、圧力調整器３の機能の一部として圧力調整器３の中に組み込まれていてもよい。

流体袋ＢＳは、シート状の部材５が支持体６に接触するように、支持体６上に配置される。支持体６とは、たとえば、インフレータブルロボットの骨格を構成している構造部材である。流体袋ＢＳ（シート状の部材４）が外力を受けた際に流体袋ＢＳ（シート状の部材５）が支持体６の表面上で滑らないように、流体袋ＢＳ（シート状の部材５）と支持体６との間には、シリコンシートや接着剤などが設けられるとよい。

流体袋ＢＳ（シート状の部材５）と支持体６との間の摩擦力が十分に大きい場合や、流体袋ＢＳ（シート状の部材４）が外力を受けたとしても流体袋ＢＳ（シート状の部材５）が支持体６の表面上で滑らないように流体袋ＢＳの位置が何らかの固定手段によって固定されている場合には、シリコンシートや接着剤などをこれらの間に設けないように構成することもできる。

（検証実験１）
以上のように構成される力検出装置１０の性能を検証するための実験について説明する。実験に使用する検証用装置２０（図２，図３）は、制御部２１、表示部２２、支柱２３，２４、レール２５、スライダ２６、力覚センサＰを備える。

支柱２３，２４は、支持体６の上に固定される。レール２５は、支柱２３，２４の間に懸架され、支持体６上の流体袋ＢＳに接近する方向（Ｚ軸正方向）および流体袋ＢＳから離反する方向（Ｚ軸負方向）に移動可能なように構成される。スライダ２６は、レール２５上（レール２５の下部）に設置され、Ｚ軸方向に対して直交するＹ軸方向（Ｙ１方向およびＹ２方向）に移動可能なように構成される。

力覚センサＰは、略円柱状の形状を有し、スライダ２６の下面に固着される。力覚センサＰとしては、ＷＡＣＨＯ社製の静電容量型の６軸力覚センサ「ＷＤＦ−６Ｍ２００−３、定格荷重：２００Ｎ（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）、３Ｎｍ（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）」を用いることができる。レール２５がＺ軸方向に移動したり、スライダ２６がＹ軸方向に移動したりすることによって、力覚センサＰは支持体６上の流体袋ＢＳに対して相対的に移動可能である。

検証用装置２０においては、力覚センサＰを（力検出装置１０に力を加える）外部の物体であるとみなしている。力覚センサＰと流体袋ＢＳのシート状の部材４との間に、接触面ＣＳ（図２）が形成される。上記のＺ軸方向とは、力覚センサＰと流体袋ＢＳとの間の接触面ＣＳに対する法線方向に相当し、上記のＹ軸方向とは、接触面ＣＳに対する接線方向に相当する。

レール２５およびスライダ２６を移動させることで、流体袋ＢＳに法線方向および接線方向の力を加える。その際、流体袋ＢＳ内の圧力センサＳを用いて流体袋ＢＳの内圧を検出するとともに、力覚センサＰを用いて接触面ＣＳに作用している接触力（法線方向の力および接線方向の力を含む）を検出する。

具体的には、（１）：流体袋ＢＳに初期圧力を付与し、開始から５［ｓ］待つ。（２）：次に、レール２５の移動により力覚センサＰをＺ軸正方向に移動させることで、流体袋ＢＳに力を加える。（３）：上記（２）の状態で、スライダ２６の移動により力覚センサＰをＹ軸正方向に移動させることで、流体袋ＢＳに力（接線方向の力）を加える。

図４は、上記の（１）〜（３）の動作を行なっている間に流体袋ＢＳ内の圧力センサＳから得られた出力値であり、流体袋ＢＳの内圧の推移を示している。図５は、上記の（１）〜（３）の動作を行なっている間に力覚センサＰから得られた出力値であり、接触面ＣＳに作用している接触力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの推移（いずれも多項式）を示している。なお図４，図５に示しているデータは、実際には、手作業で（２），（３）の動作を行なった際に（力覚センサＰと流体袋ＢＳとを相対移動させた際に）得られた結果である。

図４および図５に示されるように、流体袋ＢＳにＺ軸正方向の力を加え始めた約５［ｓ］から、力覚センサＰのＺ軸、Ｙ軸方向の出力値が変化していることがわかる（図５参照）。それに伴い（図４参照）、圧力センサＳの出力値も変化していることから、接線方向の力Ｆｙおよび法線方向の力Ｆｚが、圧力センサＳの入った流体袋ＢＳを変形させ、その流体袋ＢＳの変形によって流体袋ＢＳの内圧に変化が生じたものと考えられる。したがって図４および図５に示される結果によれば、力検出装置１０の場合、１つの圧力センサＳしか備えていないため、２方向の力（接線方向の力Ｆｙおよび法線方向の力Ｆｚ）の両方を算出あるいは推定するのは実質的に不可能であると考えられる。

（検証実験２）
図６を参照して、図２，図３に示す各装置と同様な装置を用いて別の検証実験を行なった。ここで、インフレータブル構造を有する流体袋ＢＳ（１００ｍｍ×１００ｍｍ）において、外力Ｆ、内部圧力Ｐ、初期圧力Ｐｓの関係は、以下の式（Ａ）のように与えられる。
Ｆ＝α（Ｐｓ）Ｐ＋β（Ｐｓ） ・・・（Ａ）
上記の式（Ａ）において、α，βは、流体袋ＢＳ内の初期圧力Ｐｓによって決定される関数である。

圧力センサＳとしては、オムロン株式会社社製のゲージ圧センサ「２ＳＭＰＰ−０２」を用いた。このセンサを、チューブを介して１００ｍｍ×１００ｍｍの流体袋ＢＳに接続した。流体袋ＢＳの内圧変化による出力電圧値を、増幅回路やＡ／Ｄコンバータを用いて電圧データとして取得した。

また、外力の計測するための力覚センサＰとしては、レプトリノ社製の６軸力覚センサ「ＰＦＳ０８０ＹＡ」を使用した。ここでは、流体袋ＢＳと力覚センサＰとの間、流体袋ＢＳと支持体６との間に、それぞれにシリコンゴムシートを配置し、これらの間に滑りが生じることを抑制ないし防止した。

図６に示すように、初期圧力を与えた流体袋ＢＳに対して、５［ｓ］から力覚センサＰをＺ軸正方向に動かして位置を固定することで、法線方向における一定の力を流体袋ＢＳに与えた。その状態で、１０［ｓ］から、力覚センサＰをＹ軸方向に水平に動かし、接線方向における力を与えた。本実験で与えた法線方向の力は９．８Ｎであり、Ｙ軸方向の変位は、±１０ｍｍである。

図６に示されるように、Ｚ軸方向に関しては、上記の式（Ａ）の値、すなわちＦ（ＢＳ）：流体袋ＢＳの内圧に基づく算出値（換算値）が、力覚センサＰのＺ軸方向の出力値と近い波形を示している。一方で、Ｙ軸方向に関しては、Ｆ（ＢＳ）：流体袋ＢＳの内圧に基づく算出値（換算値）は、力覚センサＰのＹ軸方向の出力値と関係性を有しておらず、接線方向における力は計測できていないことがわかる。したがって図６に示される結果によっても、力検出装置１０の場合、１つの圧力センサＳしか備えていないため、２方向の力（接線方向の力Ｆｙおよび法線方向の力Ｆｚ）の両方を算出あるいは推定するのは実質的に不可能であると考えられる。

［実施の形態］
実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

［実施の形態１］
（力検出装置１１）
図７〜図９を参照して、実施の形態１における力検出装置１１について説明する。図７は、力検出装置１１を示す平面図であり、図８は、力検出装置１１に備えられる流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２を示す斜視図であり、図９は、力検出装置１１等を示す断面図である。図９においては、力検出装置１１に加えて、力検出装置１１の性能を検証するための検証用装置２０も図示している。

図７〜図９に示すように、力検出装置１１は、制御部１、流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２、支持体６（図７、図９）、および圧力センサＳ１，Ｓ２を備える。詳細な構成については後述するが、流体袋ＢＳは「接触部」に相当し、流体袋Ｂ１は「第１流体収容部」に相当し、流体袋Ｂ２は「第２流体収容部」に相当する。圧力センサＳ１，Ｓ２は、「第１流体収容部の内圧および第２流体収容部の内圧を検出する検出部」に相当する。

（制御部１・演算部Ｃ）
制御部１（図７，図９）は、演算部Ｃを含んでおり、たとえば、外部からの入力信号を受け付けることで、圧力調整器（図示せず）の動作を制御したり、演算部Ｃによって算出した値を表示部（図示せず）に表示させたりする。制御部１および表示部（図示せず）は、マイコンやＰＣなどから構成することができる。

（流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２）
流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２は、上述の参考技術における流体袋ＢＳと同様の構成を有している。流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２の各々は、シート状の部材４，５を互いに貼り合わせることにより構成される。シート状の部材４，５は、１００ｍｍ×１００ｍｍの同一の大きさおよび形状を有しており、材質はポリエチレンなどのプラスティックである。

シート状の部材４，５の各々は、主表面部Ｍと、主表面部Ｍの外周に位置する外周縁部Ｎとを有している。流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２の各々は、シート状の部材４，５の外周縁部Ｎ同士を接合することにより袋状に形成される。流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２の内部には、それぞれ、密閉の空間ＴＳ，Ｔ１，Ｔ２（図９）が形成され、圧力調整器によって空間ＴＳ，Ｔ１，Ｔ２内には流体（典型的には空気などの気体）が充填される。

流体袋Ｂ１，Ｂ２は、Ｙ軸方向において互いに隣接するように配置されている。流体袋Ｂ１，Ｂ２は、各々のシート状の部材５が支持体６に接触するように、支持体６上に配置される。支持体６とは、たとえば、インフレータブルロボットの骨格を構成している構造部材である。流体袋Ｂ１，Ｂ２（シート状の部材４）が外力を受けた際に流体袋Ｂ１，Ｂ２（シート状の部材５）が支持体６の表面上で滑らないように、流体袋Ｂ１，Ｂ２（シート状の部材５）と支持体６との間には、シリコンシートや接着剤などが設けられるとよい。

流体袋Ｂ１，Ｂ２（シート状の部材５）と支持体６との間の摩擦力が十分に大きい場合や、流体袋Ｂ１，Ｂ２（シート状の部材４）が外力を受けたとしても流体袋Ｂ１，Ｂ２（シート状の部材５）が支持体６の表面上で滑らないように流体袋Ｂ１，Ｂ２の位置が何らかの固定手段によって固定されている場合には、シリコンシートや接着剤などをこれらの間に設けないように構成することもできる。

流体袋Ｂ１のうちのＹ軸負方向（Ｙ軸方向の負側）に位置する外周縁部Ｎと、流体袋Ｂ２のうちのＹ軸正方向（Ｙ軸方向の正側）に位置する外周縁部Ｎとは、溶着や接着剤などの接合手段によって、互いに接合されている。これらの間には、直線状に延びる形状を有する接合部Ｗ１２が形成されている。

図８，図９に示す接合部Ｗ１２は、シート状の部材４，５のＹ軸方向における端部同士の間に位置している。実際には、接合部Ｗ１２は、流体袋Ｂ１，Ｂ２の外周縁部Ｎの一部同士をＺ軸方向において重ね合わせ、それら同士を接合することで、容易に形成することができる。

上述のとおり、流体袋Ｂ１は「第１流体収容部」に相当し、流体袋Ｂ２は「第２流体収容部」に相当する。本実施の形態における第１流体収容部および第２流体収容部は、互いに独立した２つの流体袋Ｂ１，Ｂ２からそれぞれ構成されている。流体袋Ｂ１，Ｂ２は、互いに接合され、Ｙ軸方向において互いに隣接するように配置されている。図１９を参照して後述するが、第１流体収容部や第２流体収容部は、１つあるいは１つ以上の流体袋の内部空間を仕切ることによって、互いに隣接するように構成することも可能である（図１９参照）。

流体袋ＢＳは、流体袋Ｂ１，Ｂ２が支持体６に接触している側とは反対側（換言すると、流体袋Ｂ１，Ｂ２から見て支持体６が位置している側とは反対側）に配置され、流体袋Ｂ１，Ｂ２の双方に隣接するように設けられている。流体袋ＢＳは、流体袋ＢＳのシート状の部材５が、流体袋Ｂ１，Ｂ２のシート状の部材４，４に接触するように、流体袋Ｂ１，Ｂ２上に配置される。上述のとおり、流体袋ＢＳは「接触部」に相当する。

接触部を構成している流体袋ＢＳの外周縁部Ｎの一部、具体的には、外周縁部ＮのうちのＹ軸正方向（Ｙ軸方向の正側）に位置する一部と、流体袋Ｂ１を構成しているシート状の部材４の主表面部Ｍの一部とが、溶着や接着剤などの接合手段によって互いに接合されている。これらの間には、直線状に延びる形状を有する接合部Ｗ１が形成されている。

接触部を構成している流体袋ＢＳの外周縁部Ｎの一部、具体的には、外周縁部ＮのうちのＹ軸負方向（Ｙ軸方向の負側）に位置する一部と、流体袋Ｂ２を構成しているシート状の部材４の主表面部Ｍの一部とが、溶着や接着剤などの接合手段によって互いに接合されている。これらの間には、直線状に延びる形状を有する接合部Ｗ２が形成されている。

本実施の形態においては、接触部としての流体袋ＢＳは、流体袋Ｂ１，Ｂ２とは独立した１つの流体袋ＢＳから構成されている。流体袋ＢＳは、流体袋Ｂ１，Ｂ２に接合され、流体袋Ｂ１，Ｂ２に隣接するように配置されている。図１９を参照して後述するが、接触部は、１つあるいは１つ以上の流体袋の内部空間を仕切ることによって、第１および第２流体収容部に隣接するように構成することも可能である（図１９参照）。

上述のとおり、流体袋ＢＳは「接触部」に相当する。本実施の形態における接触部は、内部に流体を収容した流体袋ＢＳから構成されている。図１９，図２０，２２を参照して後述するが、接触部は、必ずしも流体袋ＢＳから構成されていなくても構わない。接触部は、たとえば、板状の部材から構成されていても構わない。

（圧力センサＳ１，Ｓ２）
圧力センサＳ１，Ｓ２は、それぞれ、流体袋Ｂ１，Ｂ２内に収容される。圧力センサＳ１，Ｓ２は、それぞれ、流体袋Ｂ１，Ｂ２（空間Ｔ１，Ｔ２）の内圧を検出する。圧力センサＳ１，Ｓ２としては、オムロン株式会社製の絶対圧センサ「２ＳＭＰＢ−０１（圧力測定範囲：３０ｋＰａ〜１１０ｋＰａ）」を用いることができる。

圧力センサＳ１，Ｓ２は、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内部に配置され、圧力調整器とは独立して構成されている。圧力センサＳ１，Ｓ２は、流体袋Ｂ１，Ｂ２（空間Ｔ１，Ｔ２）の内圧を検出することが可能であれば、流体袋Ｂ１，Ｂ２の外部に配置されていてもよく、圧力調整器の機能の一部として圧力調整器の中に組み込まれていてもよい。

上述のとおり、圧力センサＳ１，Ｓ２は「第１流体収容部（ここでは流体袋Ｂ１）の内圧および第２流体収容部（ここでは流体袋Ｂ２）の内圧を検出する検出部」に相当している。本実施の形態では、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧を検出するために互いに独立した計２つの圧力センサＳ１，Ｓ２が用いられるが、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧を検出可能な１つの圧力センサから上記の「検出部」を構成してもよい。

（演算部Ｃ）
上述のとおり、流体袋Ｂ１，Ｂ２の間に接合部Ｗ１２が形成され、流体袋ＢＳ，Ｂ１の間に接合部Ｗ１が形成され、流体袋ＢＳ，Ｂ２の間に接合部Ｗ２が形成されていることによって、流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２は相互に拘束されている。物体から流体袋ＢＳ（接触部）に外力が加えられた際、流体袋Ｂ１（第１流体収容部）および流体袋Ｂ２（第２流体収容部）の双方に、物体から流体袋ＢＳ（接触部）に加えられた外力が流体袋ＢＳ（接触部）を介して付与される。流体袋ＢＳの上部からＹ軸方向の力を加えることによってせん断力が発生した際には、流体袋ＢＳ，Ｂ１の間の接触力（せん断力）および流体袋ＢＳ，Ｂ２の間の接触力（せん断力）のうち、一方が大きくなり他方が小さくなり、流体袋Ｂ１，Ｂ２において内圧に差が生じる。

制御部１に備えられた演算部Ｃは、流体袋Ｂ１の内圧および流体袋Ｂ２の内圧に関する情報を検出部（圧力センサＳ１，Ｓ２）から取得し、物体から接触部（流体袋ＢＳ）に外力が加えられた際に物体と接触部との間の接触面ＣＳに対して接線方向に作用している力を算出する。具体的な算出方法は、以下の通りである。

（演算方法）
図１０を参照して、上述の式（Ａ）［Ｆ＝α（Ｐｓ）Ｐ＋β（Ｐｓ）］の説明でも述べたとおり、任意の初期圧力を有するように流体袋Ｂ１の内圧を調整し、その状態で、流体袋Ｂ１に袋膨張方向に沿った荷重をかけていくと、流体袋Ｂ１にかけられた荷重と流体袋Ｂ１の内圧とは線形の関係を示す。この関係は、任意の初期圧力において成立するものであり（たとえば、図１０中に示す線Ｌ１〜Ｌ６）、流体袋Ｂ２についても同様である。

本実施の形態においては、流体袋ＢＳと力覚センサＰとの間の接触面ＣＳの法線方向の力をＦｎとし、接触面ＣＳに対して接線方向の力をＦｔとする。流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧をそれぞれＰ１，Ｐ２とし、流体袋Ｂ１，Ｂ２の初期圧力をそれぞれPs1，Ps2とすると、下記の式（Ｂ），（Ｃ）が成立する。
Ｆｎ＝｛α（Ps1）Ｐ１＋β（Ps1）｝＋｛α（Ps2）Ｐ２＋β（Ps2）｝ ・・・（Ｂ）
Ｆｔ＝｛α（Ps1）Ｐ１＋β（Ps1）｝−｛α（Ps2）Ｐ２＋β（Ps2）｝ ・・・（Ｃ）
上記の式（Ｂ），（Ｃ）において、α，βは、流体袋Ｂ１，Ｂ２内の初期圧力Ps1，Ps2によって決定される関数であり、予備実験などを行なうことによって準備可能である。

すなわち、流体袋Ｂ１の内圧と流体袋Ｂ２の内圧との間の和に基づいて、接触面ＣＳに対して法線方向に作用している力を算出することができる。流体袋Ｂ１の内圧と流体袋Ｂ２の内圧との間の差に基づいて、接触面ＣＳに対して接線方向に作用している力を算出することができる。

力検出装置１１に備えられる制御部１の演算部Ｃは、少なくとも、上記の式（Ｃ）を利用することによって、流体袋Ｂ１の内圧と流体袋Ｂ２の内圧との間の差に基づいて、接触面ＣＳに対して接線方向に作用している力を算出する。好ましい形態としては、演算部Ｃは、接線方向の力に限られず、上記の式（Ｂ）を利用することによって、流体袋Ｂ１の内圧と流体袋Ｂ２の内圧との間の和に基づいて、接触面ＣＳに対して法線方向に作用している力を算出する。

（検証実験１）
以上のように構成される力検出装置１１の性能を検証するための実験について説明する。実験に使用する検証用装置２０（図９）は、上述の参考技術の場合と同様の構成を備える。なお、流体袋ＢＳ内に収容された圧力センサＳは、ここでは検証用装置２０の構成要素であって、力検出装置１１の構成要素には含まれない。

レール２５およびスライダ２６を移動させることで、流体袋ＢＳに法線方向および接線方向の力を加える。その際、流体袋ＢＳ内の圧力センサＳを用いて流体袋ＢＳの内圧を検出するとともに、流体袋Ｂ１内の圧力センサＳ１を用いて流体袋Ｂ１の内圧を検出するとともに、流体袋Ｂ２内の圧力センサＳ２を用いて流体袋Ｂ２の内圧を検出するとともに、力覚センサＰを用いて接触面ＣＳに作用している接触力（法線方向の力および接線方向の力を含む）を検出する。

具体的には、（１）：流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２に初期圧力を与えて少し時間が経過した後、力覚センサＰおよびスライダ２６を保持しているレール２５をＺ軸正方向に動かし、流体袋ＢＳに一定の力を与えた状態で固定する。（２）：次に、上記（１）の状態で一定時間経過した後、レール２５の移動により、Ｙ軸正方向（Ｙ１方向）に１ｃｍの位置まで力覚センサＰを動かす。（３）：次に、上記（２）の状態で一定時間経過した後、レール２５の移動により、Ｙ軸負方向（Ｙ２方向）に１ｃｍの位置まで力覚センサＰを動かす。

図１１は、実施の形態の検証実験１のＺ軸方向に関し、上記の（１）〜（３）の動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。Ｆｚは、上記の（１）〜（３）の動作を行なっている間に、力覚センサＰから得られたＺ軸方向の出力値であり、ＲＦ（Ｂ１，Ｂ２）は、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の和（上記式（Ｂ））に基づく算出値であり、Ｆ（ＢＳ）は、流体袋ＢＳの内圧（圧力センサＳの検出値）に基づく算出値である。図１１に示されるように、Ｚ軸方向においては、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の和に基づく算出値が、力覚センサＰのＺ軸方向の出力値と近い波形を示していることがわかる。

図１２は、実施の形態の検証実験１のＹ軸方向に関し、上記の（１）〜（３）の動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。Ｆｙは、上記の（１）〜（３）の動作を行なっている間に、力覚センサＰから得られたＹ軸方向の出力値であり、ＤＦ（Ｂ１，Ｂ２）は、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の差（上記式（Ｃ））に基づく算出値である。図１２に示されるように、Ｙ軸方向においては、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の差に基づく算出値が、力覚センサＰのＹ軸方向の出力値と近い波形を示していることがわかる。

（検証実験２）
図１２に示すように、Ｙ軸方向に関しては、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の差に基づく算出値と、力覚センサＰの出力値との間に、一定程度の偏差が生じている。たとえば、約６５［ｓ］から力覚センサＰの出力値（Ｆｙ）がゼロであるのに対して、ＤＦ（Ｂ１，Ｂ２）では約−４［Ｎ］を示している。

Ｙ軸方向について上記の偏差が生じた原因として、力覚センサＰをＹ軸方向に動かしたときの力覚センサＰと流体袋ＢＳとの間に滑りが生じたからだと推察されたため、流体袋ＢＳの上面（接触面ＣＳを形成する面）に両面テープを貼り、滑りが生じない状態で先ほどと同じ実験を行った。その結果を、図１３および図１４に示す。

図１３は、実施の形態の検証実験２のＺ軸方向に関し、上記の（１）〜（３）の動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。図１３に示されるように、Ｚ軸方向においては、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の和に基づく算出値が、力覚センサＰのＺ軸方向の出力値と近い波形を示していることがわかる。

図１４は、実施の形態の検証実験２のＹ軸方向に関し、上記の（１）〜（３）の動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。図１４に示されるように、Ｙ軸方向においても、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の差に基づく算出値が、力覚センサＰのＹ軸方向の出力値と近い波形を示していることがわかる。

滑りを無くすことで、図１４の場合は図１２の場合と比較するとＹ軸方向の定常偏差が小さくなった。したがって、接触面ＣＳを構成する流体袋ＢＳ（接触体）の表面は、接触の対象物（物体）に対してできるだけ滑りにくい特徴を有するように流体袋ＢＳを構成することが好ましいことがわかる。

（検証実験３）
流体袋Ｂ１，Ｂ２，ＢＳの接合箇所が、力検出結果にどのような影響を与えるかについて検証した。

上述の実施の形態１においては、流体袋ＢＳの外周縁部ＮのうちのＹ軸正方向に位置する一部と、流体袋Ｂ１（シート状の部材４）の主表面部Ｍの一部とが互いに接合され、これらの間に直線状に延びる形状を有する接合部Ｗ１が形成されている。同様に、流体袋ＢＳの外周縁部ＮのうちのＹ軸負方向に位置する一部と、流体袋Ｂ２（シート状の部材４）の主表面部Ｍの一部とが互いに接合され、これらの間に直線状に延びる形状を有する接合部Ｗ２が形成されている。すなわち、流体袋ＢＳのＹ方向における両端部分が、流体袋Ｂ１，Ｂ２の中央部分にそれぞれ接合されている。

当該構成（以下、両端固定ともいう）において、流体袋Ｂ１，Ｂ２の初期圧力をそれぞれ５．２６ｋＰａ、５．７４ｋＰａに設定し、上記と同様な検証実験を行なった。すなわち、力覚センサＰを介して、接触面ＣＳに対して５［ｓ］から法線方向の力（９．８Ｎ）を与え、接触面ＣＳに対して１３［ｓ］から接線方向の力を与えた（移動量±１０ｍｍ）。図１５および図１６は、その実験結果を示している。

一方で、別の構成（以下、中央固定ともいう）として、流体袋Ｂ１と流体袋Ｂ２とが互いに接合されている部分（接合部Ｗ１２）に、流体袋ＢＳの主表面部Ｍの中央部分を接合した。このような構成において、流体袋Ｂ１，Ｂ２の初期圧力をそれぞれ５．０４ｋＰａ、５．２８ｋＰａに設定し、上記と同様な検証実験を行なった。すなわち、力覚センサＰを介して、接触面ＣＳに対して５［ｓ］から法線方向の力（９．８Ｎ）を与え、接触面ＣＳに対して１３［ｓ］から接線方向の力を与えた（移動量±１０ｍｍ）。図１７および図１８は、その実験結果を示している。

図１５〜図１８を比較すると、中央固定に比べて両端固定の方が、内圧に基づく算出値が力覚センサＰの出力値と近い波形となることがわかる。これは、両端固定の場合には、中央固定の場合に比べて、ねじれとずれの影響が小さく、特に、法線方向の力を付与する際に、流体袋ＢＳの流体袋Ｂ１，Ｂ２への接触に偏りが生じにくくなるためであると考えられる（図１６，図１８参照）。したがって、より高い検出精度を得るためには、中央固定ではなくて両端固定を採用する方が好ましい場合があると言える。

［実施の形態２］
（力検出装置１２）
図１９は、実施の形態２における力検出装置１２を示す断面図である。図１９は、実施の形態１における図９に対応している。

実施の形態１の説明でも触れたとおり、「接触部」、「第１流体収容部」および「第２流体収容部」は、１つあるいは１つ以上の流体袋の内部空間を仕切ることによって、互いに隣接するように構成することも可能である。図１９に示すように、力検出装置１２においては、実施の形態１の場合に比べて大きなシート状の部材４，５が用いられる。これらの内側にシート状の部材４ａ，５ａが配置されることで、実施の形態１の場合と略同様に、３つの空間ＴＳ，Ｔ１，Ｔ２が形成されることとなる。

本実施の形態においては、シート状の部材４，４ａのうちの空間ＴＳを区画している部分が「接触部」に相当しており、シート状の部材４，４ａ，５，５ａのうちの空間Ｔ１を区画している部分が「第１流体収容部」に相当しており、シート状の部材４，４ａ，５，５ａのうちの空間Ｔ２を区画している部分が「第２流体収容部」に相当している。当該構成によっても、実施の形態１の場合と略同様に、接触面ＣＳに対して接線方向に作用する力を検出することが可能である。

［実施の形態３］
（力検出装置１３）
図２０は、実施の形態３における力検出装置１３を示す断面図である。図２０は、実施の形態１における図９に対応している。

実施の形態１の説明でも触れたとおり、「接触部」は、必ずしも流体袋ＢＳから構成されていなくても構わない。実施の形態３における接触部は、平板状の形状を有する板状部材７から構成されている。板状部材７の表面７ａおよび裏面７ｂは、いずれも平坦な平面形状を有しており、板状部材７の裏面７ｂは、流体袋Ｂ１，Ｂ２の各々のシート状の部材４に接着されている。

以上のような構成を有する力検出装置１３において、流体袋Ｂ１，Ｂ２の初期圧力をそれぞれ５．７２ｋＰａ、５．５２ｋＰａに設定し、上記と同様な検証実験を行なった。すなわち、力覚センサＰを介して、接触面ＣＳに対して５［ｓ］から法線方向の力（９．８Ｎ）を与え、接触面ＣＳに対して１３［ｓ］から接線方向の力を与えた（移動量±１０ｍｍ）。図２１は、その実験結果を示している。

図２１に示されるように、法線方向（Ｚ軸方向）に関しては、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の和に基づく算出値（上記式（Ｂ））が、力覚センサＰのＺ軸方向の出力値と近い波形を示していることがわかる。法線方向（Ｙ軸方向）に関しては、実施の形態１や図１５に示す結果よりは高い精度は得られないが、流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の差に基づく算出値（上記式（Ｃ））が、力覚センサＰのＹ軸方向の出力値と、ある程度の関係性を有するような波形を示していることがわかる。したがって、より高い検出精度を得るためには、板状部材７ではなくて、流体袋ＢＳを接触部として採用する方が好ましい場合があると言える。

［実施の形態４］
（力検出装置１４）
図２２は、実施の形態４における力検出装置１４を示す断面図である。図２２は、実施の形態１における図９に対応している。

実施の形態３で説明したような板状部材７を接触部として採用する場合には、板状部材７の裏面７ｂを、流体袋Ｂ１，Ｂ２の側に向かって凸となるような湾曲面形状に形成してもよい。当該構成によれば、接線方向の力が発生した際に、湾曲面形状を有する裏面７ｂによって流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧に差が生じやすくなる場合があり、力検出精度の向上を期待できる。

（検証実験４）
流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２を構成している部材の材料を、ポリエチレンではなくてゴム（ゴム風船）に変更し、圧力と力との関係について検証した。図２３は、初期圧力を７．５ｋＰａに設定した時の、圧力と力との関係を示すグラフである。図２４は、初期圧力を３．０ｋＰａに設定した時の、圧力と力との関係を示すグラフである。

図２３および図２４に示す結果によれば、流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２を構成している部材が柔軟材料（たとえばゴム）である場合には、流体袋の内圧を高めると流体袋（風船）が膨張し、高い圧力状態を維持することが難しくなる。したがって、流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２の内圧間に十分な差を形成するためには、柔軟なゴムよりも、硬質なポリエチレンが適していると言える。

また、流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２を構成している部材が柔軟材料（たとえばゴム）である場合には、収縮力と内部圧力との釣り合いをとることが難しなる。したがって、流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２の内圧に目標圧力を設定してその圧力値を一定の範囲内に一時することでロバスト性などを向上させるためには、柔軟なゴムよりも、硬質なポリエチレンが適していると言える。

また、流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２を構成している部材が柔軟材料（たとえばゴム）である場合には、流体袋が膨張した際に流体袋の厚みが薄くなることで、内圧の変化にばらつきが生じやすくなる。したがって、流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２の内圧の変化にばらつきが生じることを抑制して検出精度の向上を図るためには、柔軟なゴムよりも、硬質なポリエチレンが適していると言える。

［実施の形態５］
（力検出装置１５）
図２５〜図２９を参照して、実施の形態５における力検出装置１５について説明する。図２５は、力検出装置１５を示す平面図である。図２６は、力検出装置１５等を示す断面図であり、図２５中のＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ線の位置における矢視断面を表している。図２６においては、力検出装置１５に加えて、力検出装置１５の性能を検証するための検証用装置２０も図示している。

図２５，２６に示すように、力検出装置１５は、制御部１、流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４、支持体６、および圧力センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を備える。流体袋ＢＳは「接触部」に相当し、流体袋Ｂ１は「第１流体収容部」に相当し、流体袋Ｂ２は「第２流体収容部」に相当し、流体袋Ｂ３は「第３流体収容部」に相当し、流体袋Ｂ４は「第４流体収容部」に相当している。圧力センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、「第１流体収容部の内圧、第２流体収容部の内圧、第３流体収容部の内圧および第４流体収容部の内圧を検出する検出部」に相当する。

（流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，ＢＳ）
流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４は、上述の各実施の形態における流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２と同様の構成を有している。一方、流体袋ＢＳは、平面視で八角形の形状を有しており、流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４よりも若干大きな表面積を有している。

流体袋Ｂ１，Ｂ４は、Ｙ軸方向において互いに隣接するように配置され、流体袋Ｂ２，Ｂ３も、Ｙ軸方向において互いに隣接するように配置される。一方、流体袋Ｂ１，Ｂ２は、Ｘ軸方向において互いに隣接するように配置され、流体袋Ｂ３，Ｂ４も、Ｘ軸方向において互いに隣接するように配置される。

流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の外周縁部Ｎ同士は、溶着や接着剤などの接合手段によって、互いに接合されている。これらの間には、直線状に延びる形状を有する接合部Ｗ１２，Ｗ２３，Ｗ３４，Ｗ４１が形成されている。上述の実施の形態２の場合と同様に、第１〜第４流体収容部および接触部は、１つあるいは１つ以上の流体袋の内部空間を仕切ることによって、互いに隣接するように構成することも可能である。

流体袋ＢＳは、流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が支持体６に接触している側とは反対側に配置され、流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の全部に隣接するように設けられている。上述の実施の形態３の場合と同様に、接触部は、板状部材７から構成することも可能である。

接触部を構成している流体袋ＢＳの外周縁部Ｎの一部、具体的には、外周縁部Ｎのうちの４つの角部Ｋと、流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を構成しているシート状の部材４の主表面部Ｍの一部とが、溶着や接着剤などの接合手段によって互いに接合されている。これらの間には、直線状に延びる形状を有する接合部Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４がそれぞれ形成されている。

（圧力センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）
圧力センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、それぞれ、流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４内に収容される。圧力センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、それぞれ、流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４（空間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３（図示せず），Ｔ４）の内圧を検出する。圧力センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４としては、オムロン株式会社製の絶対圧センサ「２ＳＭＰＢ−０１（圧力測定範囲：３０ｋＰａ〜１１０ｋＰａ）」を用いることができる。

（演算部Ｃ）
接合部Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ１２，Ｗ２３，Ｗ３４，Ｗ４１の形成によって、流体袋ＢＳ，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４は相互に拘束されている。物体から流体袋ＢＳ（接触部）に外力が加えられた際、流体袋Ｂ１〜Ｂ４（第１〜第４流体収容部）の全部に、物体から流体袋ＢＳ（接触部）に加えられた外力が流体袋ＢＳ（接触部）を介して付与される。

流体袋ＢＳの上部からＹ軸方向の力を加えることによってせん断力が発生した際には、流体袋ＢＳ，Ｂ１の間の接触力（せん断力）および流体袋ＢＳ，Ｂ４の間の接触力（せん断力）のうち、一方が大きくなり他方が小さくなり、流体袋Ｂ１，Ｂ４において内圧に差が生じる。あるいは、流体袋ＢＳの上部からＹ軸方向の力を加えることによってせん断力が発生した際には、流体袋ＢＳ，Ｂ２の間の接触力（せん断力）および流体袋ＢＳ，Ｂ３の間の接触力（せん断力）のうち、一方が大きくなり他方が小さくなり、流体袋Ｂ２，Ｂ３において内圧に差が生じる。

流体袋ＢＳの上部からＸ軸方向の力を加えることによってせん断力が発生した際には、流体袋ＢＳ，Ｂ１の間の接触力（せん断力）および流体袋ＢＳ，Ｂ２の間の接触力（せん断力）のうち、一方が大きくなり他方が小さくなり、流体袋Ｂ１，Ｂ２において内圧に差が生じる。あるいは、流体袋ＢＳの上部からＸ軸方向の力を加えることによってせん断力が発生した際には、流体袋ＢＳ，Ｂ３の間の接触力（せん断力）および流体袋ＢＳ，Ｂ４の間の接触力（せん断力）のうち、一方が大きくなり他方が小さくなり、流体袋Ｂ３，Ｂ４において内圧に差が生じる。

制御部１に備えられた演算部Ｃは、流体袋Ｂ１〜Ｂ４の内圧に関する情報を検出部（圧力センサＳ１〜Ｓ４）から取得し、物体から接触部（流体袋ＢＳ）に外力が加えられた際に、物体と接触部との間の接触面ＣＳに対して接線方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に作用している力を算出する。

すなわち、力検出装置１５のような流体袋ＢＳおよび４つの流体袋Ｂ１〜Ｂ４を有する構成においては、流体袋Ｂ１〜Ｂ４のそれぞれの内圧Ｐ１〜Ｐ４によって、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のそれぞれの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは、以下の式（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）によって得ることができる。
Ｆｘ：（Ｐ１＋Ｐ４）−（Ｐ２＋Ｐ３）・・・（Ｄ）
Ｆｙ：（Ｐ１＋Ｐ２）−（Ｐ３＋Ｐ４）・・・（Ｅ）
Ｆｚ：Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４ ・・・（Ｆ）
上記式（Ｄ）においては、（Ｐ１＋Ｐ４）が「第１内圧」に相当し、（Ｐ２＋Ｐ３）が「第２内圧」に相当している。上記式（Ｅ）においては、（Ｐ１＋Ｐ２）が「第１内圧」に相当し、（Ｐ３＋Ｐ４）が「第２内圧」に相当している。物体から接触部（流体袋ＢＳ）に外力が加えられた際、演算部Ｃは、第１内圧と第２内圧との間の差に基づいて、接触面ＣＳに対して接線方向に作用している力を算出する。

（検証実験５）
以上のように構成される力検出装置１５の性能を検証するための実験について説明する。実験に使用する検証用装置２０（図２６）は、上述の各実施の形態の場合と同様の構成を備える。なお、流体袋ＢＳと力覚センサＰとの間には、シリコンシートを配置して滑りを防止し、流体袋Ｂ１〜Ｂ４と支持体６との間にも、シリコンシートを配置して滑りを防止した。

図２７は、実施の形態の検証実験５のＸ軸方向に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。Ｆｘは、所定動作を行なっている間に、力覚センサＰから得られたＸ軸方向の出力値であり、ＤＦ（Ｂ１，Ｂ４−Ｂ２，Ｂ３）は、（（流体袋Ｂ１，Ｂ４の内圧の和）−（流体袋Ｂ２，Ｂ３の内圧の和））に基づく算出値である。図２７に示されるように、Ｘ軸方向においては、（（流体袋Ｂ１，Ｂ４の内圧の和）−（流体袋Ｂ２，Ｂ３の内圧の和））に基づく算出値が、力覚センサＰのＸ軸方向の出力値と近い波形を示していることがわかる。

図２８は、実施の形態の検証実験５のＹ軸方向に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。Ｆｙは、所定動作を行なっている間に、力覚センサＰから得られたＹ軸方向の出力値であり、ＤＦ（Ｂ１，Ｂ２−Ｂ３，Ｂ４）は、（（流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の和）−（流体袋Ｂ３，Ｂ４の内圧の和））に基づく算出値である。図２８に示されるように、Ｙ軸方向においても、（（流体袋Ｂ１，Ｂ２の内圧の和）−（流体袋Ｂ３，Ｂ４の内圧の和））に基づく算出値が、力覚センサＰのＹ軸方向の出力値と近い波形を示していることがわかる。

図２９は、実施の形態の検証実験５のＺ軸方向に関し、所定動作を行なっている間に得られた時間と力との関係を示すグラフである。Ｆｚは、所定動作を行なっている間に、力覚センサＰから得られたＺ軸方向の出力値であり、ＲＦ（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）は、（流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）に基づく算出値である。図２９に示されるように、Ｚ軸方向においては、（流体袋Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）に基づく算出値が、力覚センサＰのＺ軸方向の出力値と近い波形を示していることがわかる。

（検証実験６）
上述の各実施の形態および検証実験において使用される流体袋Ｂ１（第１流体収容部）および流体袋Ｂ２（第２流体収容部）の各々は、２枚のシート状の部材４，５の外周縁部同士を互いに貼り合わせることによって袋状に構成される。シート状の部材４，５は、１００ｍｍ×１００ｍｍの同一の大きさおよび形状を有しており、材質はポリエチレンなどのプラスティックである。流体袋Ｂ１，Ｂ２を収縮させた状態でこれら流体袋の各々を平面視した場合には、流体袋Ｂ１，Ｂ２は正方形の外形形状を有している（図７参照）。

上述の実施の形態５において用いられる流体袋Ｂ１（第１流体収容部）、流体袋Ｂ２（第２流体収容部）、流体袋Ｂ３（第３流体収容部）および流体袋Ｂ４（第４流体収容部）についても同様に、これらの流体袋Ｂ１〜Ｂ４の各々を収縮させた状態でこれら流体袋の各々を平面視した場合には、流体袋Ｂ１〜Ｂ４の各々は正方形の外形形状を有している（図２５参照）。

図３０を参照して、力検出装置の本体部となる流体袋を製作する上で、流体袋の袋形状はセンサ特性に大きな影響を与えることが考えられる。特に、形状やサイズといったパラメータは、流体袋を加圧した際の流体袋の収縮量や、流体袋に発生するしわ（流体袋の外周部の座屈）の程度等に影響を与え、センサ特性を変化させると予想される。

検証実験６においては、流体袋の内部圧力と流体袋に付与される外力との関係から、流体袋の外形形状が流体袋センサとしての特性にどのような影響を及ぼすかについて検証した。当該実験において使用した流体袋の平面視における外形形状は、長方形（図３１）、正三角形（図３２）、正方形（図３３）、および正五角形（図３４）である。これらの流体袋はいずれも、ポリエチレン材料（ＬＥＰＥ）から作製し、流体袋の初期圧力は２０［ｋＰａ］に設定し、各種データのサンプリング周期は５．０［ｍｓ］に設定した。

これらの流体袋の底辺長さＬ［ｍｍ］と高さＨ［ｍｍ］とについては、図３０に示すとおりである。各流体袋における長さＬおよび高さＨの値は、各外形形状を有する流体袋において表面積が略同一となるように設定した。

図３１〜図３４を参照して、熱溶着を用いて非伸縮性のシートを袋形状に加工した。得られた流体袋を加圧した場合には（ここでは２０ｋＰａ）、流体袋の中心部が膨張し、流体袋の厚みＴ［ｍｍ］が大きくなる。これに伴い、流体袋の周囲に設けられている溶着部は、内側へ引っ張られる（図３１〜図３４中の破線を参照）。

正三角形（図３２）、正方形（図３３）および正五角形（図３４）を比較すると、流体袋の角数が増えるにつれて各辺に生じたしわ（座屈）が深くなり、厚みＴが増していることがわかる（図３０）。それに対して長方形（図３１）の場合には、図３１に示されるように長方形の短辺に主としてしわが発生し、長方形の長辺にはしわがほとんど発生していない。すなわち、袋形状に応じて、溶着部の収縮量およびしわの深さに違いが生じることがわかる。これら外形形状が異なる流体袋に外力を与えた時の内部圧力の変化に与える影響を確認するため、以下のような計測実験を行なった。

図３５は、流体袋の主表面部の変位量と、流体袋の内部圧力の変化との関係を示す図である。変位量と圧力変化との関係に基づけば、長方形の外形形状を有する流体袋は、他の流体袋に比べて変位量の変化に対して、高い感度で圧力変化が生じることがわかる。

図３６は、流体袋の主表面部に付与した外力と、流体袋の内部圧力の変化との関係を示す図である。外力と圧力変化との関係に基づけば、長方形の外形形状を有する流体袋は、他の流体袋に比べて外力の変化に対して、低い感度で圧力変化が生じることがわかる。

図３７は、流体袋の主表面部の変位量と、流体袋の主表面部に付与した外力との関係を示す図である。図３７に示すように、正三角形、正方形、正五角形の結果を比較した場合には、角数が多いほど剛性が小さくなることがわかる（すなわち、角数が多いほど、小さな力の入力で流体袋の主表面部がより大きく変位することがわかる）。

上述のとおり、角数が多いほどしわが深くなる。角数が多い流体袋は、しわが深い分だけ、流体袋を加圧した際に水平方向へ膨張するような変形（しわが、しわのない状態に復元するような変形）が生じやすくなる。したがって角数が多い流体袋は、外力を加えたとしても外力はしわの復元変形によって相殺されてしまい、流体袋の内部に生じる実際の体積変化は小さくなり、これに伴って圧力変化も小さくなっているものと考えらえる（図３５）。

一方で長方形の場合には、しわは流体袋の短辺に主として発生し、流体袋の長辺にはほとんど発生しない（図３１参照）。このため、流体袋に外力を加えた際に、長方形の流体袋は水平方向へはほとんど膨張せず、他の多角形と比べて圧力変化が大きくなる。さらに長方形の流体袋は、他の多角形に比べて長手方向に長く延びる部分を有しているため、外力を加える初期の時点から接触面積が大きくなる。このため、剛性が大きくなることがわかる（すなわち、同じ外力の入力で流体袋の主表面部がより小さく変位することがわかる）。

以上の結果を総合的に勘案すると、センサ表面に高い剛性を持たせたい場合には、長方形の流体袋が他の流体袋に比べて適していると考えられる。たとえば力検出装置をマッサージ機などとして利用する場合には、高い剛性を利用可能である場合がある。なおマッサージ器としては、低い剛性を利用してもよい。一方で正多角形の流体袋と長方形の流体袋とを比較すると、初期体積が同じである場合には、正多角形の方が力の分解能という点では優れていることがわかる。また，正三角形、正方形、正五角形の間には、力の分解能の差がほとんどみられないことがわかる。

力の分解能を優先した場合には、長方形よりも正多角形の流体袋とすることがよいことがわかる。また、製作上の都合などを考えると、正多角形のうちの正方形が特に扱いやすいものと考えられる。

上述のとおり、角数が多い流体袋は、しわが深い分だけ、流体袋を加圧した際に水平方向へ膨張するような変形（しわが、しわのない状態に復元するような変形）が生じやすくなる。流体袋の外周部にしわが発生することを抑制または防止するために、２枚のシート状の部材４，５の外周縁部同士が接合されている部分には、当該部分の剛性を高めるための補強部が設けられていてもよい。

補強部としては、たとえば２枚のシート状の部材４，５の外周縁部にエポキシなどの別の樹脂（たとえば接着剤）を塗布し、硬化したエポキシ（補強部）によって当該外周縁部の剛性を高くしてもよい。補強部としては、流体袋の外周縁部をクランプするような、枠状の形状を有するクランプ部材を用いてもよい。流体袋の外周縁部を加締めるようにして枠状のクランプ部材を流体袋に取り付けることで、流体袋の外周縁部の剛性が高まり、しわの発生を抑制ないし防止可能となる。

補強部としては、２枚のシート状の部材４，５の外周縁部を内側に折り返すことでも、流体袋の外周縁部の剛性が高まり、しわの発生を抑制ないし防止可能となる。しわの発生を抑制ないし防止するという観点では、流体袋を構成する２枚のシート状の部材４，５の厚みを厚くしてもよいし、流体袋の初期圧力を低い値に設定してもよい。

以上、実施の形態および各検証実験について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２１ 制御部、２，２２ 表示部、３ 圧力調整器、４，４ａ，５，５ａ シート状の部材、６ 支持体、７ 板状部材、７ａ 表面、７ｂ 裏面、１０，１１，１２，１３，１４，１５ 力検出装置、２０ 検証用装置、２３，２４ 支柱、２５ レール、２６ スライダ、Ｂ１ 流体袋（第１流体収容部）、Ｂ２ 流体袋（第２流体収容部）、Ｂ３ 流体袋（第３流体収容部）、Ｂ４ 流体袋（第４流体収容部）、ＢＳ 流体袋（接触部）、ＢＰ ポート、Ｃ 演算部、ＣＳ 接触面、Ｄ 長さ、Ｆ 外力、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ 接触力（力）、Ｋ 角部、Ｍ 主表面部、Ｎ 外周縁部、Ｐ 力覚センサ、Ｓ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 圧力センサ（検出部）、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，ＴＳ 空間、Ｗ 幅、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ１２，Ｗ２３，Ｗ３４，Ｗ４１ 接合部。

Claims (14)

1. 支持体と、
   前記支持体によって支持され、シート状の部材によって袋状に形成されるとともに、互いに隣接するように配置された第１流体収容部および第２流体収容部と、
   前記第１流体収容部および前記第２流体収容部が前記支持体に接触している側とは反対側に配置され、前記第１流体収容部および前記第２流体収容部の双方に隣接するように設けられた接触部と、
   前記第１流体収容部の内圧および前記第２流体収容部の内圧を検出する検出部と、
   前記第１流体収容部の内圧および前記第２流体収容部の内圧に関する情報を前記検出部から取得し、物体から前記接触部に外力が加えられた際に前記物体と前記接触部との間の接触面に対して接線方向に作用している力を算出する演算部と、を備え、
   前記物体から前記接触部に前記外力が加えられた際、前記第１流体収容部および前記第２流体収容部の双方に、前記物体から前記接触部に加えられた前記外力が前記接触部を介して付与されており、
   前記物体から前記接触部に前記外力が加えられた際、前記演算部は、前記第１流体収容部の内圧と前記第２流体収容部の内圧との間の差に基づいて、前記接触面に対して接線方向に作用している前記力を算出する、
   力検出装置。
2. 前記接触部は、内部に流体を収容した流体袋から構成されている、
   請求項１に記載の力検出装置。
3. 前記第１流体収容部および前記第２流体収容部の各々は、内部に流体を収容した流体袋から構成されており、
   前記第１流体収容部を構成している前記流体袋と、前記第２流体収容部を構成している前記流体袋と、前記接触部を構成している前記流体袋とは、互いに接合されている、
   請求項２に記載の力検出装置。
4. 前記第１流体収容部を構成している前記流体袋と、前記第２流体収容部を構成している前記流体袋と、前記接触部を構成している前記流体袋とは、いずれも、主表面部と、前記主表面部の外周に位置する外周縁部と、を含んでおり、
   前記接触部を構成している前記流体袋の前記外周縁部の一部と、前記第１流体収容部および前記第２流体収容部の各々を構成している前記流体袋の前記主表面部の一部とが互いに接合されている、
   請求項３に記載の力検出装置。
5. 前記第１流体収容部を構成している前記流体袋および前記第２流体収容部を構成している前記流体袋の各々は、２枚の前記シート状の部材の外周縁部同士を接合することによって袋状に形成されており、収縮させた状態でこれら前記流体袋の各々を平面視した場合には多角形の外形形状を有している、
   請求項３または４に記載の力検出装置。
6. 前記第１流体収容部を構成している前記流体袋および前記第２流体収容部を構成している前記流体袋の各々は、収縮させた状態でこれら前記流体袋の各々を平面視した場合には長方形の外形形状を有している、
   請求項５に記載の力検出装置。
7. ２枚の前記シート状の部材の前記外周縁部同士が接合されている部分には、当該部分の剛性を高めるための補強部が設けられている、
   請求項５または６に記載の力検出装置。
8. 支持体と、
   前記支持体によって支持され、シート状の部材によって袋状に形成されるとともに、互いに隣接するように配置された第１流体収容部、第２流体収容部、第３流体収容部および第４流体収容部と、
   前記第１流体収容部、前記第２流体収容部、前記第３流体収容部および前記第４流体収容部が前記支持体に接触している側とは反対側に配置され、前記第１流体収容部、前記第２流体収容部、前記第３流体収容部および前記第４流体収容部の全部に隣接するように設けられた接触部と、
   前記第１流体収容部の内圧、前記第２流体収容部の内圧、前記第３流体収容部の内圧および前記第４流体収容部の内圧を検出する検出部と、
   前記第１流体収容部の内圧、前記第２流体収容部の内圧、前記第３流体収容部の内圧および前記第４流体収容部の内圧に関する情報を前記検出部から取得し、物体から前記接触部に外力が加えられた際に前記物体と前記接触部との間の接触面に対して接線方向に作用している力を算出する演算部と、を備え、
   前記物体から前記接触部に前記外力が加えられた際、前記第１流体収容部、前記第２流体収容部、前記第３流体収容部および前記第４流体収容部の全部に、前記物体から前記接触部に加えられた前記外力が前記接触部を介して付与されており、
   前記第１流体収容部、前記第２流体収容部、前記第３流体収容部および前記第４流体収容部のうちの２つの流体収容部の内圧の和を第１内圧と定義し、前記第１流体収容部、前記第２流体収容部、前記第３流体収容部および前記第４流体収容部のうちの残りの２つの流体収容部の内圧の和を第２内圧と定義すると、
   前記物体から前記接触部に前記外力が加えられた際、前記演算部は、前記第１内圧と前記第２内圧との間の差に基づいて、前記接触面に対して接線方向に作用している前記力を算出する、
   力検出装置。
9. 前記接触部は、内部に流体を収容した流体袋から構成されている、
   請求項８に記載の力検出装置。
10. 前記第１流体収容部、前記第２流体収容部、前記第３流体収容部および前記第４流体収容部の各々は、内部に流体を収容した流体袋から構成されており、
    前記第１流体収容部を構成している前記流体袋と、前記第２流体収容部を構成している前記流体袋と、前記第３流体収容部を構成している前記流体袋と、前記第４流体収容部を構成している前記流体袋と、前記接触部を構成している前記流体袋とは、互いに接合されている、
    請求項９に記載の力検出装置。
11. 前記第１流体収容部を構成している前記流体袋と、前記第２流体収容部を構成している前記流体袋と、前記第３流体収容部を構成している前記流体袋と、前記第４流体収容部を構成している前記流体袋と、前記接触部を構成している前記流体袋とは、いずれも、主表面部と、前記主表面部の外周に位置する外周縁部と、を含んでおり、
    前記接触部を構成している前記流体袋の前記外周縁部の一部と、前記第１流体収容部、前記第２流体収容部、前記第３流体収容部および前記第４流体収容部の各々を構成している前記流体袋の前記主表面部の一部とが互いに接合されている、
    請求項１０に記載の力検出装置。
12. 前記第１流体収容部を構成している前記流体袋、前記第２流体収容部を構成している前記流体袋、前記第３流体収容部を構成している前記流体袋および前記第４流体収容部を構成している前記流体袋の各々は、２枚の前記シート状の部材の外周縁部同士を接合することによって袋状に形成されており、収縮させた状態でこれら前記流体袋の各々を平面視した場合には多角形の外形形状を有している、
    請求項１０または１１に記載の力検出装置。
13. 前記第１流体収容部を構成している前記流体袋、前記第２流体収容部を構成している前記流体袋、前記第３流体収容部を構成している前記流体袋および前記第４流体収容部を構成している前記流体袋の各々は、収縮させた状態でこれら前記流体袋の各々を平面視した場合には長方形の外形形状を有している、
    請求項１２に記載の力検出装置。
14. ２枚の前記シート状の部材の前記外周縁部同士が接合されている部分には、当該部分の剛性を高めるための補強部が設けられている、
    請求項１２または１３に記載の力検出装置。
    

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