JP6843726B2 - 力覚センサ及びロボット - Google Patents

Description

本発明は、外力を定量的に検出する力覚センサと、力覚センサを搭載したロボットに関する。

産業用ロボットのアームや医療用等のマニピュレータの各部に作用する外力を検出する手段として力覚センサが使用されている。多軸の外力を検出する力覚センサとして、特許文献１には、複数の受光素子列からなる光学式変位センサから得られた複数の変位情報に基づいて外力を定量的に検出する光学式力覚センサが記載されている。特許文献１に記載された光学式力覚センサでは、光学式変位センサの実装面に対する面外方向の変位を含む多軸変位を検出することができ、光学式力覚センサ全体の薄型化が可能である。

特開２０１０−２８１６３５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された光学式力覚センサでは、位置検出器を連結する部材と、位置検出対象が固定されている構造部の部材の熱膨張率の差により、温度変化に伴って検出値が変化しやすい。

本発明は、検出値が温度変化の影響を受け難く、小型化と低コスト化が容易な力覚センサを提供することを目的とする。

本発明に係る力覚センサは、ベース部と、外力を受けて前記ベース部に対して変位する変位部と、前記ベース部と前記変位部を連結する弾性支持部と、第１の方向での前記変位部の前記ベース部に対する変位を検出する２組の変位センサからなる第１の変位センサ対と、前記第１の方向と直交する第２の方向での前記変位部の前記ベース部に対する変位を検出する２組の変位センサからなる第２の変位センサ対と、を備え、前記第１の変位センサ対を構成する２組の変位センサの中点を通り、前記第１の方向と前記第２の方向のそれぞれに平行な２本の直線によって分けられる４象限のうち、前記第１の変位センサ対が配置された２つの象限に前記第２の変位センサ対が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、小型で検出値が温度変化の影響を受け難い力覚センサを低コストで実現することができる。

本発明に係る力覚センサの概念図である。 第１実施形態に係る力覚センサの概略構成を示す、上面側からの透視図及び断面図である。 図２の力覚センサが備える回路基板の平面図である。 変位検出器の構成とスケールの読み取り方法を説明する図である。 比較例に係る力覚センサの概略構成を示す、上面側からの透視図及び回路基板の平面図である。 第２実施形態に係る力覚センサの概略構成を示す、上面側からの透視図及び下面側からの透視図である。 第２実施形態係る力覚センサの断面図である。 図６の力覚センサが備える回路基板の平面図である。 搬送装置の概略構成を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係る力覚センサ１００の概念図である。力覚センサ１００は、入力（印加）される外力を検出し、外力に応じた信号を出力する。力覚センサ１００は、ベース部１、変位部２、弾性支持部３、スケール４（検出対象体）、変位検出器１０及び回路基板６を備える。弾性支持部３は、ベース部１と変位部２の間に作用する外力に応じて弾性変形が可能となるように形状と材質が選択されている。弾性支持部３の弾性は、検出したい外力の範囲に応じて適切に設計される。つまり、微小な外力を検出する場合には変形しやすいように弾性を高め（弾性率（弾性係数）を小さくし）、大きな外力を検出する場合又は機械的な剛性を高めたい場合には弾性を低く（弾性率を大きく）設計される。

＜第１実施形態＞
図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサ１００Ａの概略構成を示す上面側からの透視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す矢視Ａ−Ａでの力覚センサ１００Ａの概略構成を示す断面図である。力覚センサ１００Ａは、ベース部１、変位部２、弾性支持部３、スケール４Ａ〜４Ｄ、回路基板６、スケール保持部７及び変位検出器１０Ａ〜１０Ｄを備える。なお、説明の便宜上、図２に示すように、互いに交差、より好ましくは直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定め、適宜、説明に用いるものとする。

力覚センサ１００Ａの外輪部を構成する変位部２と内輪部を構成するベース部１とは、上面側から見て９０度ごとに放射状に配置された４本の弾性支持部３によって連結されている。ベース部１には、回路基板６が固定されている。変位部２の内周側には、スケール４Ａ〜４Ｄを保持するスケール保持部７が連結されている。スケール４Ａ〜４Ｄは、スケール保持部７において回路基板６と対向する面上に固定されている。スケール４Ａ〜４Ｄは、例えば、ガラス基板上にクロム反射膜のパターンが格子状にパターニングされたものである。

図３は、回路基板６の平面図である。変位検出器１０Ａ〜１０Ｄはそれぞれ、スケール４Ａ〜４Ｄに対してＺ方向において１対１で対向するように回路基板６に実装されている。変位検出器１０Ａとスケール４Ａが１組の変位センサを構成し、変位検出器１０Ｂとスケール４Ｂセンサが１組の変位センサを構成し、これら２組の変位センサが第１の変位センサ対を構成すると定義する。第１の変位センサ対は、後述するように、変位部２のＸ方向（第１の方向）での変位量を検出する。また、変位検出器１０Ｃとスケール４Ｃが１組の変位センサを構成し、変位検出器１０Ｄとスケール４Ｄセンサが１組の変位センサを構成し、これら２組の変位センサが第２の変位センサ対を構成すると定義する。第２の変位センサ対は、後述するように、変位部２のＹ方向（第２の方向）での変位量を検出する。

変位検出器１０Ａ，１０Ｂは、Ｘ方向とＹ方向の各方向で所定距離だけ離間し、力覚センサ１００ＡのＸＹ面の中心に対して点対称となる位置に配置されている。よって、第１の変位センサ対を構成する２組の変位センサの中点は、力覚センサ１００ＡのＸＹ面の中心と略一致する。同様に、変位検出器１０Ｃ，１０Ｄは、Ｘ方向とＹ方向の各方向で所定距離だけ離間し、力覚センサ１００ＡのＸＹ面の中心位置に対して点対称となる位置に配置されている。よって、第２の変位センサ対を構成する２組の変位センサの中点は、力覚センサ１００ＡのＸＹ面の中心と略一致する。

力覚センサ１００ＡのＸＹ面の中心を通り、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれに沿った、より好ましくは平行な直線で力覚センサ１００Ａ（回路基板６）を４象限に分けたとき、変位検出器１０Ａ，１０Ｃが同じ象限に配置され、変位検出器１０Ｂ，１０Ｄが同じ象限に配置されている。なお、変位検出器１０Ａ，１０Ｃが配置された象限と変位検出器１０Ｂ，１０Ｄが配置された象限とは、ＸＹ面の中心に対して点対称となる位置関係にある。本実施形態では、４本の弾性支持部３は、４象限に分ける２本の直線と対応するように、ＸＹ面の中心から放射状に９０度ごとに配置されている。変位検出器１０Ａ〜１０Ｄが実装されていない象限には、信号処理回路２０や、信号処理回路２０からの信号を出力するコネクタ２１等の電気部品が実装されている。

図４は、変位検出器１０Ａの構成と、変位検出器１０Ａによるスケール４Ａの読み取り方法を説明する図である。なお、変位検出器１０Ｂ〜１０Ｄの構成と変位検出器１０１０Ｂ〜１０Ｄのそれぞれによるスケール４Ｂ〜４Ｄの読み取り方法は、変位検出器１０Ａの構成と変位検出器１０Ａによるスケール４Ａの読み取り方法に準ずるため、説明を省略する。

変位検出器１０は、光源１２と、受光素子アレイ１６を有する受光ＩＣ１４とが同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。光源１２には、電流狭窄型のＬＥＤや半導体レーザ等を使用することができる。受光素子アレイ１６は、スケール４Ａのパターンからの光の分布を検出する複数の受光素子（検出素子）が、スケール４Ａの移動方向（測位方向）に並べられた構造となっている。変位検出器１０Ａは、スケール４Ａと対向するように配置されることで、スケール４Ａの相対変位量を検出する。つまり、光源１２から出射した発散光束は、スケール４Ａ上の格子パターンに反射され、回折及び干渉によって受光素子アレイ１６上で縞状の光量分布（干渉縞）を形成する。受光素子アレイ１６の各受光素子は、Ａ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相及びＢ−相の順に循環的に割り当てられており、これら４つの相における各相に割り当てられた複数の受光素子が１つの受光素子群を構成する。なお、受光素子の循環周期は、干渉縞の周期に合うように設定されている。

受光素子群を構成する受光素子は互いに電気的に接続されており、これらの出力（電流）は互いに足し合わされて後段に相ごとに設けられたＩＶ変換アンプ（不図示）に入力される。４つのＩＶ変換アンプはそれぞれ、４相の信号Ｓ１（Ａ＋），Ｓ１（Ｂ＋），Ｓ１（Ａ−），Ｓ１（Ｂ−）を出力する。４相の信号Ｓ１（Ａ＋），Ｓ１（Ｂ＋），Ｓ１（Ａ−），Ｓ１（Ｂ−）は、スケール４Ａの移動に応じてその値が正弦波状に変化する電圧信号（正弦波信号）となる。４つの相に対して設けられた４つのＩＶアンプの出力信号はそれぞれ、信号位相の０度、９０度、１８０度及び２７０度に対応している。信号処理回路２０は、４相の信号Ｓ１（Ａ＋），Ｓ１（Ｂ＋），Ｓ１（Ａ−），Ｓ１（Ｂ−）に対して以下の［数１］に示す２つの式の演算処理を行い、４相の信号から直流成分が除去された２相の正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）を生成する。こうして得られる２相の正弦波信号Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）は、スケール４Ａの位置情報を表す。

また、信号処理回路２０は、以下の［数２］で表される演算により、位置信号の元となる位相信号Φを取得する。なお、ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して０〜２π位相に変換する逆正接演算関数である。位相信号Φは、スケール４Ａの格子パターンの移動に伴う干渉縞の移動量に対応し、位相信号Φの変化量を累積することにより、スケール４Ａと変位検出器１０Ａの相対変位量を検出することができる。変位検出器１０Ａの変位検出方向は、スケール４Ａの格子パターンの格子周期方向となる。図３に示すように、変位検出器１０Ａ，１０Ｂの変位検出方向はＸ方向であり、変位検出器１０Ｃ，１０Ｄの変位検出方向はＹ方向である。

続いて、力覚センサ１００Ａでの外力検出のための演算処理について説明する。変位検出器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄからの出力をそれぞれ、Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃ，Ｄｄとすると、外力情報及び温度情報を以下の［数３］に示す式を用いて演算することができる。なお、ＦｘはＸ方向の外力であり、ＦｙはＹ方向の外力であり、ＭｚはＺ軸まわりのモーメントであり、Ｔは熱膨張成分である。ここで、変換行列Ｃは、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄからの出力を３軸の外力成分及び熱膨張成分に変換するための行列である。ｋ，ｌ，ｍは、変位量を外力に換算する係数であり、設計値で決定してもよいし、実測値に基づいて決定してもよい。

このとき、３軸の外力成分及び熱膨張成分が独立して（分離されて）検出されていることについて以下に説明する。Ｘ方向の外力Ｆｘが力覚センサ１００Ａに入力された場合、変位検出器１０Ａ，１０Ｂでそれぞれスケール４Ａ，４Ｂとの相対変位が検出される。このとき、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄからの変位出力をそれぞれ、Ｄａ＿Ｆｘ，Ｄｂ＿Ｆｘ，Ｄｃ＿Ｆｘ，Ｄｄ＿Ｆｘとすると、変位量ｐとの関係は以下の［数４］の通りに表される。

同様に、Ｙ方向の外力Ｆｙが力覚センサ１００Ａに入力された場合、変位検出器１０Ｃ，１０Ｄでそれぞれスケール４Ｃ，４Ｄとの相対変位が検出される。このとき、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄからの変位出力をそれぞれ、Ｄａ＿Ｆｙ，Ｄｂ＿Ｆｙ，Ｄｃ＿Ｆｙ，Ｄｄ＿Ｆｙとすると、変位量ｐとの関係は以下の［数５］の通りに表される。

Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが力覚センサ１００Ａに入力された場合、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄのそれぞれでスケール４Ａ〜４Ｄとの相対変位が検出される。このとき、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄからの変位出力をそれぞれ、Ｄａ＿Ｍｚ，Ｄｂ＿Ｍｚ，Ｄｃ＿Ｍｚ，Ｄｄ＿Ｍｚとすると、変位量ｑとの関係は以下の［数６］の通りに表される。

力覚センサ１００Ａに対する熱の移動により熱膨張（温度変化）が生じた場合、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄのそれぞれでスケール４Ａ〜４Ｄとの相対変位が検出される。この相対変位量は主に、回路基板６とその他の部位（ベース部１、変位部２、弾性支持部３等の構造物）との熱膨張量の差によって生じる。力覚センサ１００Ａのように回路基板６が変位検出器１０Ａ〜１０Ｄの略中央においてベース部１に固定されている場合、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄのそれぞれが検出する相対変位量は略等しくなる。よって、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄからの変位出力をそれぞれ、Ｄａ＿Ｔ，Ｄｂ＿Ｔ，Ｄｃ＿Ｔ，Ｄｄ＿Ｔとすると、変位量ｒとの関係は以下の［数７］の通りに表される。

これら３軸の外力成分及び熱膨張成分の力覚センサ１００Ａへの入力に対する応答をまとめた４×４の行列Ｄｍａｔは、以下の［数８］の通りに表わされる。そして、行列Ｄｍａｔに変換行列Ｃを積算すると、［数９］の通りに表される対角行列となる。

変位検出器１０Ａ〜１０Ｄは、力覚センサ１００Ａのサイズ（機械的サイズ）に対して極めて微小な変位を検出するため、それぞれの軸方向に入力された外力に対する応答には重ね合わせ近似が成り立つ。よって、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚ，Ｔの４成分が複合して力覚センサ１００Ａに入力された場合であっても、分離して検出することが可能である。特に、Ｄａ，Ｄｃの符号関係とＤｂ，Ｄｄの符号関係はＭｚが加わった場合と熱膨張が生じた場合とでは逆転するため、良好なＳＮ比で両者を分離することが可能となる。

なお、熱膨張と相関の強い温度信号を用いて、各種の温度補正を行うことが可能である。例えば、回路基板６が変位検出器１０Ａ〜１０Ｄの略中央からずれてベース部１に固定された場合等のように固定点が中央からずれて取り付けられた場合、ＦｘやＦｙでは熱膨張成分Ｔの分離精度が低下してしまうが、温度信号を用いた補正が可能である。その場合、変換行列Ｃを以下の［数１０］に示す式に置き換える。ここで、ｍ´及びｍ″はそれぞれ、温度信号のＦｘ，Ｆｙへの干渉係数である。例えば、力覚センサ１００Ａの出荷時に温度信号とＦｘ，Ｆｙとの相関データを取得しておくことによってｍ´及びｍ″を算出しておけばよい。

ここで、本発明に対する比較例としての力覚センサについて、上記の力覚センサ１００Ａと対比して説明する。図５（ａ）は、比較例に係る力覚センサ９００の概略構成を示す上面側からの透視図である。図５（ｂ）は、力覚センサ９００が備える回路基板６の平面図である。力覚センサ９００の構成部品は力覚センサ１００Ａの構成部品と同じであるが、力覚センサ９００と力覚センサ１００Ａとではスケール４Ａ〜４Ｄと変位検出器１０Ａ〜１０Ｄの配設位置が異なる。力覚センサ９００では、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれに平行な直線で力覚センサ９００を４象限に分けたときの各象限に１つずつスケールが配置されている。

力覚センサ９００にＸ方向の外力Ｆｘが入力された場合、変位検出器１０Ａ，１０Ｂのそれぞれでスケール４Ａ，４Ｂとの相対変位が検出される。このとき、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄからの変位出力をそれぞれＤａ´＿Ｆｘ，Ｄｂ´＿Ｆｘ，Ｄｃ´＿Ｆｘ，Ｄｄ´＿Ｆｘとすると、変位量ｐとの関係は以下の［数１１］の通りに表される。

力覚センサ９００にＹ方向の外力Ｆｙが入力された場合、変位検出器１０Ｃ，１０Ｄのそれぞれでスケール４Ｃ，４Ｄとの相対変位が検出される。このとき、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄからの変位出力をそれぞれＤａ´＿Ｆｙ，Ｄｂ´＿Ｆｙ，Ｄｃ´＿Ｆｙ，Ｄｄ´＿Ｆｙとすると、変位量ｐとの関係は以下の［数１２］の通りに表される。

力覚センサ９００にＺ軸まわりのモーメントＭｚが入力された場合、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄのそれぞれでスケール４Ａ〜４Ｄとの相対変位が検出される。このとき、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄからの変位出力をそれぞれＤａ´＿Ｍｚ，Ｄｂ´＿Ｍｚ，Ｄｃ´＿Ｍｚ，Ｄｄ´＿Ｍｚとすると、変位量ｑとの関係は以下の［数１３］の通りに表される。

力覚センサ１００Ａに対する熱の移動により熱膨張が生じた場合、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄのそれぞれでスケール４Ａ〜４Ｄとの相対変位が検出される。この相対変位量は主に、回路基板６とその他の部位との熱膨張量の差によって生じる。回路基板６が変位検出器１０Ａ〜１０Ｄの略中央において固定されている場合、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄのそれぞれが検出する相対変位量は略等しくなる。よって、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄの変位出力をそれぞれ、Ｄａ´＿Ｔ，Ｄｂ´＿Ｔ，Ｄｃ´＿Ｔ，Ｄｄ´＿Ｔとすると、変位量ｒとの関係は以下の［数１４］の通りに表される。

上記［数１３］及び［数１４］から、力覚センサ９００では、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚによって変位が生じる変位検出器と熱膨張によって変位が生じる変位検出器は同じであり、且つ、同じ符号関係となるため、これらの成分の分離が困難となる。また、力覚センサ９００では、回路基板６上にまとまった実装スペースが確保することができないため、信号処理回路２０やコネクタ２１等の大型部品の実装が困難になる。

したがって、上記第１実施形態に係る力覚センサ１００Ａは、比較例に係る力覚センサ９００と比較して、温度変化の影響を受け難く、より正確な外力の検出が可能となっていると言うことができる。また、回路基板６への部品実装の自由度が高く、高密度な部品実装が可能となることで、回路基板６の小型化に伴う力覚センサ１００Ａ全体の小型化や低コスト化を図ることができる。

なお、本実施形態では、変位検出器１０Ａ〜１０Ｄを用いて光学的にスケール４Ａ〜４Ｄの変位を検出する構成について説明したが、変位検出方式は光学式に限定されるものではなく、磁気式や静電容量式等の他の変位検出方式を用いても構わない。例えば、磁気式の検出方式を用いる場合、スケールに磁性体を用い、磁性の極性分布をスケール４Ａ等の反射膜と同様の形状に形成し、アレイ状に並べた磁界検出素子をスケールに近接対向させて配置した構成とすればよい。こうして、磁界検出素子により磁場の変化を検出することによって磁石の変位を検出することができる。また、静電容量式の検出方式を用いる場合、検出対象体にはスケール４Ａ等の反射膜と同様の形状に導電性の電極パターンを形成し、別のアレイ状の電極パターンを近接対向させて配置した構成とすればよい。こうして、電極パターン間の静電容量の変化を検出することで、検出対象体の変位を検出することができる。ところで、必ずしもアレイ状のスケール及び検出器は必要ではなく、少なくとも１つの検出部と１つのスケールパターンエッジがあれば、外力の検出は可能である。その場合、変位検出方向はスケール面内のエッジの法線方向となる。

＜第２実施形態＞
図６（ａ）は、第２実施形態に係る力覚センサ１００Ｂの概略構成を示す上面側からの透視図である。図６（ｂ）は、力覚センサ１００Ｂの概略構成を示す下面側からの透視図である。図７は、図６（ａ）に示す矢視Ｂ−Ｂでの力覚センサ１００Ｂの概略構成を示す断面図である。以下、力覚センサ１００Ａの構成要素と同じの構成要素については、同じ名称と符号を用いることとし、各構成要素についての重複する説明を省略する。力覚センサ１００Ｂは、ベース部１、変位部２、弾性支持部３、スケール４Ａ〜４Ｈ、回路基板６及び変位検出器１０Ａ〜１０Ｈを備える。ベース部１は、変位部２の外周部を構成する円筒形状部を封止すると共に回路基板６を保持している。

力覚センサ１００Ｂにおけるスケール４Ａ〜４ＤのＸＹ平面上での配設位置は、第１実施形態に係る力覚センサ１００におけるスケール４Ａ〜４ＤのＸＹ平面上での配設位置に準ずる。力覚センサ１００Ｂでは、スケール４Ａ〜４Ｄを配置するために変位部２から−Ｚ方向に突出する柱状部５０が４カ所に設けられており、１本の柱状部の先端面（回路基板６と対向する面）に１つのスケールが固定されている。変位部２にＸ方向の力、Ｙ方向の力、Ｚ軸まわりのモーメントの外力が入力されると、スケール４Ａ〜４Ｄには、入力された力の方向に応じた変位がＸＹ平面内で生じる。

力覚センサ１００Ｂは、４カ所に設けられた弾性支持部３に変位方向の変換機能を付与した構造を有しており、この変位方向の変換機能はコの字型の凹部３０によって実現される。４カ所の凹部３０のそれぞれの先端面（回路基板６と対向する面）に１つのスケールが固定されることで、スケール４Ｅ〜４Ｈが配置されている。変位部２に−Ｚ方向の力が入力されると、凹部３０に配置されたスケール４Ｅ〜４ＨにはＸＹ平面内での変位が生じる。スケール４Ａ〜４Ｈは、Ｚ方向において略同じ高さ（つまり、同一平面内）に配置されている。

図８は、力覚センサ１００Ｂが備える回路基板６の平面図である。回路基板６には、スケール４Ｅ〜４ＨとＺ方向において対向するように変位検出器１０Ａ〜１０Ｈが実装されている。変位検出器１０Ａ，１０Ｂは、Ｘ方向とＹ方向の各方向で所定距離だけ離間し、力覚センサ１００ＢのＸＹ面の中心に対して点対称となる位置に配置されている。変位検出器１０Ａ，１０Ｂの変位検出方向はＸ方向である。同様に、変位検出器１０Ｃ，１０Ｄは、Ｘ方向とＹ方向の各方向で所定距離だけ離間し、力覚センサ１００ＢのＸＹ面の中心に対して点対称となる位置に配置されている。変位検出器１０Ｃ，１０Ｄの変位検出方向はＹ方向である。

力覚センサ１００ＢのＸＹ面の中心を通り、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれに平行な直線で力覚センサ１００Ｂ（回路基板６）を４象限に分けたとき、変位検出器１０Ａ，１０Ｃが同じ象限に配置され、変位検出器１０Ｂ，１０Ｄが同じ象限に配置されている。なお、変位検出器１０Ａ，１０Ｃが配置された象限と変位検出器１０Ｂ，１０Ｄが配置された象限とは、力覚センサ１００ＢのＸＹ面の中心に対して点対称となる位置関係にある。変位検出器１０Ａ〜１０Ｄが実装されていない象限には、信号処理回路２０や、信号処理回路２０からの信号を出力するコネクタ２１等の電気部品が実装されている。つまり、力覚センサ１００Ａと同様に、力覚センサ１００でも、回路基板６への部品実装の自由度が高く、高密度な部品実装が可能となることで、小型化や低コスト化を図ることができる。

変位検出器１０Ｅの変位検出方向はＸ方向であり、変位検出器１０Ｅの位置は、Ｘ方向では変位検出器１０Ａと略同一であり、Ｙ方向においては変位検出器１０Ａとの間に所定の間隔が設けられている。変位検出器１０Ｆの変位検出方向はＸ方向であり、変位検出器１０Ｆの位置は、Ｘ方向では変位検出器１０Ｂと略同一であり、Ｙ方向においては変位検出器１０Ｂとの間に所定の間隔が設けられている。変位検出器１０Ｅ，１０Ｆは、Ｘ軸と平行な同一の直線上に配置されている。

変位検出器１０Ｇの変位検出方向はＹ方向であり、変位検出器１０Ｇの位置は、Ｙ方向では変位検出器１０Ｃと略同一であり、Ｘ方向においては変位検出器１０Ｃとの間に所定の間隔が設けられている。変位検出器１０Ｈの変位検出方向はＹ方向であり、変位検出器１０Ｈの位置は、Ｙ方向では変位検出器１０Ｄと略同一であり、Ｘ方向においては変位検出器１０Ｄとの間に所定の間隔が設けられている。変位検出器１０Ｇ，１０Ｈは、Ｙ軸と平行な同一の直線上に配置されている。

次に、力覚センサ１００Ｂでの外力検出のための演算処理について説明する。力覚センサ１００Ｂでは、入力された６軸の外力成分と２軸の熱膨張成分を検出することができる。６軸の外力成分とは、Ｘ方向の外力Ｆｘ、Ｙ方向の外力Ｆｙ、Ｚ方向の外力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ及びＺ軸まわりのモーメントＭｚである。２軸の熱膨張成分とは、Ｘ方向の熱膨張成分Ｔｘ及びＹ方向の熱膨張成分Ｔｙである。変位部２へのこれら６軸の外力成分及び２軸の熱膨張成分の入力に対する応答をまとめた８×８の行列Ｄｍａｔは、以下の［数１５］の通りに表わされる。本実施形態における設計によれば、変位量の単位をマイクロメートルとすると、［数１５］の行列式は［数１６］の通りとなる。

よって、変位検出器１０Ａ，１０Ｃからの出力Ｄａ，Ｄｃと変位検出器１０Ｂ，１０Ｄからの出力Ｄｂ，Ｄｄの符号関係が、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが入力された場合と熱膨張が生じた場合とで逆転する。これにより、良好なＳＮ比で両者を分離することが可能となる。

また、熱膨張成分を精度よく分離することが可能となることで、以下に説明するように、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚ以外の成分に対しても、熱膨張の影響を補正することができる。すなわち、変位検出器１０Ａ〜１０Ｈからの出力Ｄａ〜Ｄｈを用いて６軸の外力成分及び２軸の熱膨張成分を算出する演算は、下記の［数１７］の通りに行うことができる。ここで、変換行列Ｃは、出力Ｄａ〜Ｄｈを６軸の外力成分及び２軸の熱膨張成分に変換するための行列である。変換行列Ｃは、［数１６］で示したＤｍａｔの逆行列により以下の［数１８］の通りに表すことができる。

力覚センサ１００Ｂに対して各軸の方向に独立した外力が入力された場合の変位検出器１０Ａ〜１０Ｈからの出力Ｄａ〜Ｄｈを８×８の行列Ｄｍａｔとして、そのＤｍａｔに変換行列Ｃを掛けると、逆行列の性質により、以下の［数１９］で表される対角行列となる。

変位検出器１０Ａ〜１０Ｈは、力覚センサ１００Ｂのサイズに対して極めて微小な変位を検出するため、それぞれの軸方向に入力された外力に対する応答には重ね合わせ近似が成り立つ。よって、６軸の外力成分及び２軸の熱膨張成分の８つの成分は、複合して作用した場合であっても互いに独立した成分として分離して検出することが可能である。なお、回路基板６には、ガラス入りエポキシ樹脂が使用されることが多い。ガラス入りエポキシ樹脂には、通常、線膨張係数に異方性があるため、２軸の熱膨張成分を独立して取得し又は分離することが可能となることで、熱膨張に対して２軸方向で独立して温度補正を行うことができる。このように、力覚センサ１００Ｂは、外力の検出値が温度変化の影響を受け難いという特徴を有する。

＜第３実施形態＞
ここでは、第２実施形態で説明した力覚センサ１００Ｂを備えた搬送装置について説明する。図９は、搬送装置４００の概略構成を示す側面図である。搬送装置４００は、ロボットアーム２００、力覚センサ１００Ｂ、把持部２０１及び制御装置２１０を備える。

ロボットアーム２００は、不図示の他のロボットアーム等と連結されており、所定の位置の間を移動可能となっている可動部の１つである。把持部２０１は、閉動作により被搬送物２０５を掴み、開動作により把持した被搬送物２０５を放すことができる可動部の１つである。ここでは、搬送装置４００は、把持部２０１が所定位置で被搬送物２０５を把持し、把持した被搬送物２０５を基板２０６に形成された穴部２０６ａに挿入する動作を行っており、その動作を制御装置２１０が制御しているものとする。

ロボットアーム２００と把持部２０１との間に配置された力覚センサ１００Ｂは、把持部２０１が被搬送物２０５を介して基板２０６から受ける上向きの外力Ｆを検出する。例えば、被搬送物２０５が基板２０６の上面における穴部２０６ａ以外の部分に接触している場合、把持部２０１から力覚センサ１００Ｂに外力が作用するため、被搬送物２０５の位置が穴部２０６ａの位置から外れていることが検出される。そこで、制御装置２１０は、被搬送物２０５を基板２０６の上面に沿って移動させるようにロボットアーム２００の動作を制御する。そして、制御装置２１０は、被搬送物２０５が穴部２０６ａの上方に位置すると、それまで把持部２０１を介して力覚センサ１００Ｂに作用していた外力がなくなるため、被搬送物２０５の位置が穴部２０６ａの位置に一致したことが検出される。すると、制御装置２１０は、被搬送物２０５を穴部２０６ａ内に挿入するようにロボットアーム２００の動作を制御した後、被搬送物２０５を放すように把持部２０１を制御する。

このように、搬送装置４００では、力覚センサ１００Ｂを用いることにより、ロボットアーム２００の動作を高精度に制御することができる。なお、上述した本発明の実施形態に係る力覚センサは、搬送装置４００以外の、外力検出の結果を用いて動作の制御を行う各種の機械装置に用いることができる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。さらに、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

１ ベース部
２ 変位部
３ 弾性支持部
４Ａ〜４Ｈ スケール
１０Ａ〜１０Ｈ 変位検出器
１００，１００Ａ，１００Ｂ 力覚センサ
４００ 搬送装置

Claims (10)

1. ベース部と、
   外力を受けて前記ベース部に対して変位する変位部と、
   前記ベース部と前記変位部を連結する弾性支持部と、
   第１の方向での前記変位部の前記ベース部に対する変位を検出する２組の変位センサからなる第１の変位センサ対と、
   前記第１の方向と交差する第２の方向での前記変位部の前記ベース部に対する変位を検出する２組の変位センサからなる第２の変位センサ対と、を備え、
   前記第１の変位センサ対を構成する２組の変位センサの中点を通り、前記第１の方向と前記第２の方向のそれぞれに沿った２本の直線によって分けられる４象限のうち、前記第１の変位センサ対が配置された２つの象限に前記第２の変位センサ対が配置されていることを特徴とする力覚センサ。
2. 前記変位センサは、前記変位部の温度変化に伴う変位を検出することを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記第１の変位センサ対を構成する２組の変位センサの中点と前記第２の変位センサ対を構成する２組の変位センサの中点とが略一致することを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚センサ。
4. 前記変位センサは、前記ベース部に配置された変位検出器と、前記変位部に配置された検出対象体とを有す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。
5. 前記変位検出器は、前記検出対象体の変位を光学的に検出することを特徴とする請求項４に記載の力覚センサ。
6. 前記変位検出器は、前記検出対象体との間の静電容量の変化を検出することにより前記検出対象体の変位を検出することを特徴とする請求項４に記載の力覚センサ。
7. 前記変位検出器は、磁場の変化を検出することにより前記検出対象体の変位を検出することを特徴とする請求項４に記載の力覚センサ。
8. 前記弾性支持部は、前記４象限を分ける直線と対応するように、前記中点から放射状に９０度ごとに４カ所に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の力覚センサ。
9. 前記４カ所の弾性支持部のそれぞれに前記中点について対称となる位置に配置された検出対象体と、
   前記検出対象体と対向するように前記ベース部に配置された変位検出器と、を備えることを特徴とする請求項８に記載の力覚センサ。
10. 可動部と、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の力覚センサと、
    前記力覚センサからの出力に基づいて前記可動部の動作を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするロボット。
    

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