JPH066277B2 - Tactile sensor - Google Patents

Tactile sensor

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JPH066277B2
JPH066277B2 JP59200210A JP20021084A JPH066277B2 JP H066277 B2 JPH066277 B2 JP H066277B2 JP 59200210 A JP59200210 A JP 59200210A JP 20021084 A JP20021084 A JP 20021084A JP H066277 B2 JPH066277 B2 JP H066277B2
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pressure
sensor
gripper
fluid
finger
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健介 長谷川
紘 谷川
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、ロボットハンドのグラッパに搭載することを
目的とした触覚センサに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a tactile sensor intended to be mounted on a grapper of a robot hand.

(従来技術とその問題点) 近年、産業用ロボットの普及に伴ない、生産性の向上、
品質の向上が達成されてきた。しかしながら、従来のプ
レイバック形ロボットで対象物体を把持する時には、該
物体の置かれている位置は勿論のこと、該物体の形状も
規定されており、寸法精度も高いことが必要であった。
このため、異なる形状の該対象物体を順不同で把持する
ことは困難であり、ロボットの適用作業範囲の拡大を阻
害していた。また、多品質少量生産を指向した生産ライ
ンでは、異なる対象物体の把持のために、ロボットへの
教示工数が多大になる欠点もあった。かかる従来のロボ
ットの欠点を排除する目的で、ロボットハンドのグリッ
パ部に触覚センサを搭載し、当該センサからの情報をも
とにロボット制御を行なうことが提案されている。即
ち、該触覚センサからの出力信号を用いて、対象物体の
把持力を検出し、該把持力が予め設定されている一定値
を越えた時に、把持動作が完了したとみなし、次の工
程、例えば持ち上げ/移動工程に移る。かかる制御手法
を用いるならば、当該対象物体の形状に依存せず、把持
動作が達成されることになる。触覚センサとしては、従
来、マイクロスイッチや導電性ゴムを用いることが提案
されていた。しかしながら、マイクロスイッチを用いた
触覚センサでは、出力信号がON,OFFの二値状態であり、
また、把持力の強弱を制御することは不可能であった。
また、導電性ゴムを用いた触覚センサでは、印加力と該
ゴムの特性変化(例えば抵抗値変化)とが非直線の関係
になるため、把持力の検出/制御には、当該センサの出
力信号を非線形処理する必要があり、信号処理の複雑化
を招く欠点があった。
(Prior art and its problems) In recent years, with the spread of industrial robots, improvement in productivity,
Quality improvements have been achieved. However, when the target object is grasped by the conventional playback robot, not only the position where the object is placed but also the shape of the object is defined, and it is necessary to have high dimensional accuracy.
For this reason, it is difficult to grip the target objects having different shapes in any order, which hinders the expansion of the applicable work range of the robot. Further, in a production line intended for high-quality, small-quantity production, there is a drawback that the number of man-hours for teaching to the robot becomes large because of gripping different target objects. In order to eliminate the drawbacks of the conventional robot, it has been proposed to mount a tactile sensor on the gripper of the robot hand and control the robot based on the information from the sensor. That is, using the output signal from the tactile sensor, the gripping force of the target object is detected, and when the gripping force exceeds a preset constant value, the gripping operation is considered to be completed, and the next step, For example, move to the lifting / moving process. If such a control method is used, the gripping operation can be achieved without depending on the shape of the target object. As a tactile sensor, it has been conventionally proposed to use a microswitch or a conductive rubber. However, in a tactile sensor using a microswitch, the output signal is in a binary state of ON and OFF,
Moreover, it is impossible to control the strength of the gripping force.
In addition, in a tactile sensor using conductive rubber, the applied force and the characteristic change (eg, resistance value change) of the rubber have a non-linear relationship, and therefore the output signal of the sensor is used to detect / control the gripping force. Has to be non-linearly processed, which has a drawback of complicating signal processing.

(発明の目的) 本発明は、かかる従来の欠点を除去せしめて、把持力と
センサ出力信号とが直線関係にあり、かつ、ロボットハ
ンドのグリッパへ容易に塔載できる触覚センサを提供す
ることにあり、かつ、異形の対象物体を安定に把持する
ロボット制御を容易ならしめる触覚センサを提供するこ
とにある。
(Object of the Invention) An object of the present invention is to provide a tactile sensor which eliminates the above-mentioned conventional defects and has a gripping force and a sensor output signal which are in a linear relationship and which can be easily mounted on a gripper of a robot hand. An object of the present invention is to provide a tactile sensor that facilitates robot control that stably grips an odd-shaped target object.

(発明の構成) 本発明によれば、少なくとも第1指と第2指から成るグ
リッパの表面に設けられ、把持対象物体と接触する、そ
れぞれ、第1および第2の可動部と、該可動部の背面に
位置する密閉された、それぞれ、第1および第2の流体
と、該第1および第2の流体の圧力差を検出する差圧型
の圧力センサとから成り、該グリッパが当該把持対象物
を把持した時の把持力を、当該可動部の変位および当該
流体の圧力変化を介して検出することを特徴とする触覚
センサが得られる。
(Structure of the Invention) According to the present invention, the first and second movable parts, which are provided on the surface of the gripper including at least the first finger and the second finger, and contact the object to be grasped, respectively, and the movable part. And a differential pressure type pressure sensor for detecting a pressure difference between the first and second fluids, each of which is closed and located on the back surface of the gripper. There is obtained a tactile sensor characterized by detecting a gripping force when gripping an object through a displacement of the movable part and a pressure change of the fluid.

(構成の詳細な説明) 本発明は、上述の構成をとることにより従来技術の問題
点を解決した。本構成においては、把持力をグリッパに
搭載された可動部の変位に変換し、次に該変位を該可動
部背面の密閉流体の圧力変化に変換し、最後に、当該圧
力変化を圧力センサにて検出することに特徴がある。
(Detailed Description of Configuration) The present invention has solved the problems of the prior art by adopting the above configuration. In this configuration, the gripping force is converted into the displacement of the movable part mounted on the gripper, then the displacement is converted into the pressure change of the sealed fluid on the back surface of the movable part, and finally the pressure change is converted into the pressure sensor. It is characterized in that it is detected.

通常、密閉された流体は温度変化に伴ない、容積一定な
らば圧力が、逆に、圧力一定ならば容積が変化すること
が知られている。当該変化は流体の膨張係数に依存し、
ボイル−シャルルの法則に従う。このため、グリッパを
含むロボットハンドの作動温度が変化した時には、前記
密閉流体は収縮/膨張あるいは流体圧力の増減が誘起さ
れる。かかる流体の特性変化は、圧力センサの出力信号
に誤差成分を含ませることになるため、把持力の計測/
制御が高精度で達成されない欠点が想定される。
It is generally known that the pressure of a sealed fluid changes with a temperature change, and conversely, the volume of a sealed fluid changes if the pressure is constant. The change depends on the expansion coefficient of the fluid,
Follow Boyle-Charles' law. Therefore, when the operating temperature of the robot hand including the gripper changes, contraction / expansion or increase / decrease in fluid pressure is induced in the sealed fluid. Such a change in the characteristics of the fluid causes an error component to be included in the output signal of the pressure sensor.
It is envisaged that the control cannot be achieved with high precision.

しかしながら、本発明においては、ロボットハンドの2
つのグリッパの各々に前記可動部、前記密閉流体を準備
し、該2つの流体圧力の差を該圧力センサで検出するこ
とにより、かかる温度変化に伴なう流体の特性変化の影
響を回避している。即ち、該流体の圧力変化率は、周知
の如く、該流体の容積に依存しないので、前記差圧型圧
力センサの圧力導入ポート部に共通の、即ち、コモンモ
ードの圧力信号として供給されるので、当該温度変化に
影響されない。一方、把持力に対応する圧力変化は、該
差圧型圧力センサの差成分圧力として供給されるので、
該把持力の大きさと直線関係にある出力信号が検出され
ることになる。かかる結果、把持力の計測/制御が安定
に、かつ、高精度に実現できることになる。
However, in the present invention, the robot hand 2
By preparing the movable part and the closed fluid in each of the two grippers, and detecting the difference between the pressures of the two fluids with the pressure sensor, it is possible to avoid the influence of the characteristic change of the fluid due to the temperature change. There is. That is, as is well known, the pressure change rate of the fluid does not depend on the volume of the fluid, so that it is supplied to the pressure introduction port portion of the differential pressure type pressure sensor as a common, that is, a common mode pressure signal. Not affected by the temperature change. On the other hand, since the pressure change corresponding to the gripping force is supplied as the differential component pressure of the differential pressure type pressure sensor,
An output signal having a linear relationship with the magnitude of the gripping force will be detected. As a result, the measurement / control of the gripping force can be realized stably and highly accurately.

(実施例) 以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。
(Example) Hereinafter, the Example of this invention is described in detail with reference to drawings.

第1図は本発明の第1の実施例を示す図であり、概念的
な断面図として示されている。図において、1,2はそ
れぞれ第1指,第2指のグリッパであり、図示していな
い手段により、図中矢印3で示す方向に開閉できる機構
を有している。4,5はゴムや金属などから成り、それ
ぞれ1,2の表面に位置して、把持対象物体(図示せ
ず)と接触する第1および第2の可動板である。可動板
4,5のそれぞれの背面側には、バネ材として作用する
ベローズ6,7が取り付けられている。ベローズ6,7
の一端は、それぞれグリッパ1,2に固定されている。
本実施例では4と6、あるいは5と7が可動部を構成し
ており、可動板4,5は共に大略矢印3の方向に変位す
ることが可能になっている。勿論、当該変位は方向3に
限定されることは無く、前述した把持対象物体の表面形
状により、回転、捩れ等を伴った種々の軌跡を描き得
る。しかしながら、以下の説明においては、便宜上、当
該変位は3の方向に限定されていると仮定する。4,6
および5,7で構成された可動部内の空間は、それぞれ
接続部8,9を介してグリッパ外部に導かれている。接
続部8,9の位置については該可動部と反対側に位置す
る場合が示されているが、この限りではない。8,9に
は配管10,11がそれぞれ接続されており、該配管の他端
は、それぞれ、差圧型圧力センサ12の圧力導入ポート1
3,14に接続されている。4,6,8,10,13および
5,7,9,11,14で構成される2つの密閉空間は圧力
を伝達する機能を有しているから、それぞれの構造およ
び接続部は気密であることが必要である。配管10,11
は、金属,ビニール等で構成されるが、該材質は本発明
で限定さることなく、むしろ、グリッパ,ロボットハン
ドの姿勢変化,動作に支障がないように選択されるべき
である。また、差圧型圧力センサについては、構造,動
作原理形式によらず、各種のもの、例えば、シリコンダ
イアフラム型圧力センサを適用することができる。
FIG. 1 is a view showing a first embodiment of the present invention and is shown as a conceptual sectional view. In the figure, reference numerals 1 and 2 denote grippers for the first and second fingers, respectively, which have a mechanism that can be opened and closed in the direction indicated by arrow 3 in the figure by means not shown. Reference numerals 4 and 5 are first and second movable plates which are made of rubber or metal and are located on the surfaces of 1 and 2, respectively, and which come into contact with an object to be grasped (not shown). Bellows 6 and 7 acting as spring materials are attached to the back surfaces of the movable plates 4 and 5, respectively. Bellows 6,7
One end of each is fixed to the grippers 1 and 2, respectively.
In this embodiment, 4 and 6 or 5 and 7 constitute a movable portion, and both movable plates 4 and 5 can be displaced in the direction of arrow 3. Of course, the displacement is not limited to the direction 3, and various loci involving rotation, twisting, etc. can be drawn depending on the surface shape of the gripping target object described above. However, in the following description, for convenience, it is assumed that the displacement is limited to the three directions. 4,6
The space in the movable part formed by 5 and 7, is guided to the outside of the gripper via connecting parts 8 and 9, respectively. Regarding the positions of the connecting portions 8 and 9, it is shown that they are located on the opposite side of the movable portion, but the position is not limited to this. Pipes 10 and 11 are connected to 8 and 9, respectively, and the other ends of the pipes are connected to the pressure introduction port 1 of the differential pressure type pressure sensor 12, respectively.
It is connected to 3 and 14. Since the two enclosed spaces composed of 4, 6, 8, 10, 13 and 5, 7, 9, 11, 14 have a function of transmitting pressure, their respective structures and connecting parts are airtight. It is necessary. Piping 10, 11
Is made of metal, vinyl or the like, but the material is not limited to the present invention, but rather should be selected so as not to hinder the posture change and movement of the gripper and robot hand. Further, as the differential pressure type pressure sensor, various types such as a silicon diaphragm type pressure sensor can be applied regardless of the structure and the principle of operation.

次に、本実施例での動作について述べる。可動板4,5
の面積をそれぞれA1,A2、ベローズ6,7のバネ定数を
それぞれk1,k2、前述した2つの密閉空間の容積をそれ
ぞれV1,V2、4,5が該対象物体を把持した時の把持力
をF0(周知のように4,5に同一のF0が印加される)、
F0=0での該密閉空間の圧力を共にP0とすれば、該差圧
型圧力センサに印加される差成分圧力ΔPDは、 で与えられる。
Next, the operation of this embodiment will be described. Movable plates 4, 5
Areas of A 1 and A 2 , the spring constants of bellows 6 and 7 are k 1 and k 2 , respectively, and the volumes of the above-mentioned two closed spaces are V 1 , V 2 , 4 and 5 that grip the target object. The gripping force when doing is F 0 (as is well known, the same F 0 is applied to 4 and 5),
If the pressure in the closed space at F 0 = 0 is P 0 , the differential component pressure ΔP D applied to the differential pressure type pressure sensor is Given in.

上式より明らかなように、第1指,第2指での構成が同
一であるならば、ΔPD=0、即ち、F0の検出は不可能で
ある。しかし、該構成を非対称とするならば、把持力F0
に比例した差成分圧力ΔPDが該センサに供給され、F0
検出が可能となる。かかる条件のためには、A1≠A2、あ
るいは、K1≠K2、あるいは、V1≠V2、あるいは、これら
の組み合わせが想定される。これらのいずれを採用する
かは、該グリッパの設計、把持力の大きさ、該センサの
圧力・電気変換感度等に依存し、適宜選択されて良い。
As is clear from the above equation, if the configurations of the first and second fingers are the same, ΔP D = 0, that is, F 0 cannot be detected. However, if the configuration is asymmetric, the gripping force F 0
The differential component pressure ΔP D proportional to is supplied to the sensor, and F 0 can be detected. For such conditions, A 1 ≠ A 2 , or K 1 ≠ K 2 , or V 1 ≠ V 2 , or a combination thereof is assumed. Which of these is adopted may be appropriately selected depending on the design of the gripper, the magnitude of the gripping force, the pressure / electric conversion sensitivity of the sensor and the like.

一方、グリッパの置かれている温度環境が変化した時に
は、該密閉空間の圧力は、当該温度(絶対温度)に比例
して変化する。前記第1指,第2指の作動温度が同一で
あると仮定するならば、当該2つの密閉空間の圧力変化
ΔPcは共に等しくなる。即ち、F0=0の時には、該差圧
型圧力センサに供給される圧力は、共に、(P0+ΔPc
となり、コモンモードの圧力となる。該センサの供給圧
力に対する同相特性(例えば同相除去比)が良好なら
ば、かかるΔPcによる出力信号は検出されない。即ち、
温度変化に対して安定で、かつ、高精度な触覚センサが
実現される。
On the other hand, when the temperature environment in which the gripper is placed changes, the pressure in the closed space changes in proportion to the temperature (absolute temperature). Assuming that the operating temperatures of the first and second fingers are the same, the pressure changes ΔP c in the two enclosed spaces are equal. That is, when F 0 = 0, the pressure supplied to the differential pressure type pressure sensor is (P 0 + ΔP c ).
And becomes the common mode pressure. If the in-phase characteristic with respect to the supply pressure of the sensor (for example, the in-phase removal ratio) is good, the output signal due to the ΔP c is not detected. That is,
A tactile sensor that is stable and highly accurate with respect to temperature changes is realized.

第2図は、本発明の第2の実施例を示す図であり、グリ
ッパの第1指の部分のみが示されている。本実施例での
第2指の構造は第2図と同様で、また、他の構成要素は
第1図と同一であって良い。図において、第1図と同一
番号は同一構成要素を示している。24はゴム等で構成さ
れた柔軟な可動機構であり、該把持対象物体を把持した
時に、該物体に損傷を与えないようにされている。本実
施例においては、接触部24とベローズ6とが前記可動部
を構成している。また、本実施例の動作は第1図の場合
と同様であるので説明は省略する。
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, in which only the first finger portion of the gripper is shown. The structure of the second finger in this embodiment may be the same as that shown in FIG. 2, and the other components may be the same as those shown in FIG. In the figure, the same numbers as in FIG. 1 indicate the same components. Reference numeral 24 denotes a flexible movable mechanism made of rubber or the like so that the object to be grasped is not damaged when the object is grasped. In this embodiment, the contact portion 24 and the bellows 6 form the movable portion. The operation of this embodiment is the same as that shown in FIG.

第3図は、本発明の第3の実施例を示す図であり、グリ
ッパの第1指の部分のみが示されている。本実施例での
第2指の構造は第3図と同様で、また、他の構成要素は
第1図であって良い。図において、第1図と同一番号は
同一構成要素を示している。25はゴム等で構成された風
船状の柔軟な可動機構であり、該把持対象物体を把持し
た時に、該物体に損傷を与えないようにされている。本
実施例では、25の一部がグリッパ1に直接固定されてい
る。かかる構成では、前述したΔPDの式と明瞭な対比が
困難である。しかしながら、25の変形に要する等価的な
バネ定数がk1(第2指においてはk2)とみなすことがで
きるので、F0に比例したΔPDが発生される。また、本実
施例では、K1≠K2を実現することは実際的でなく、ま
た、k1(あるいはk2)も大きく設定しにくい。かかる結
果、前記した式は、 と変形されるので、当該密閉空間の容積を変化させるこ
とがF0検出のための手段となる。また、k1,k2が微小で
ある場合には、微小な把持力の検出/制御ができるの
で、当該把持対象物体が小型,軽量、あるいは、柔軟な
表面構造である応用分野に適用され得る。
FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment of the present invention, in which only the first finger portion of the gripper is shown. The structure of the second finger in this embodiment may be the same as that in FIG. 3, and the other components may be those in FIG. In the figure, the same numbers as in FIG. 1 indicate the same components. Reference numeral 25 denotes a balloon-like flexible movable mechanism made of rubber or the like, which is designed not to damage the object to be grasped when the object is grasped. In this embodiment, a part of 25 is directly fixed to the gripper 1. With such a configuration, it is difficult to make a clear comparison with the above-described formula of ΔP D. However, since the equivalent spring constant required for the deformation of 25 can be regarded as k 1 (k 2 for the second finger), ΔP D proportional to F 0 is generated. Further, in the present embodiment, it is not practical to realize K 1 ≠ K 2, and it is difficult to set k 1 (or k 2 ) large. As a result, the above equation becomes Therefore, changing the volume of the closed space is a means for detecting F 0 . Further, when k 1 and k 2 are minute, a minute grasping force can be detected / controlled, so that the object to be grasped can be applied to an application field in which the object to be grasped is small, lightweight, or has a flexible surface structure. .

なお、前述した第1〜第3の実施例の説明では、該密閉
空間内の流体については言及していない。当該流体は空
気等の気体,水,シリコーンオイル等の液体であって良
い。また、該密閉空間の容積が大きい場合には、差圧検
出時の応答速度が遅くなるので、高速応答が要求される
場合には該容積を小さくすれば良い。実施例の説明に際
しては、2指のグリッパを用いたが、本発明はこれに限
定されることなく、3指以上のグリッパにも適用され
る。また動作温度を一定に保てれば密閉空間内の流体と
して第1指に気体を用い、第2指に液体を用いるような
構成をとってもよい。
In the description of the first to third embodiments described above, the fluid in the closed space is not mentioned. The fluid may be gas such as air, water, or liquid such as silicone oil. Further, when the volume of the closed space is large, the response speed at the time of detecting the differential pressure becomes slow. Therefore, when high speed response is required, the volume may be reduced. A two-finger gripper is used in the description of the embodiments, but the present invention is not limited to this and is also applicable to a three- or more-finger gripper. Further, if the operating temperature can be kept constant, a gas may be used for the first finger and a liquid may be used for the second finger as the fluid in the closed space.

(発明の効果) 本発明によれば、把持力と該センサ出力信号とが直線関
係にあるので、対象物体を把持する時の高精度な把持力
検出、あるいは、繊細な把持力制御が可能となる。かか
る本発明の利点の結果、産業用ロボットに代表される各
種ロボットの制御が簡便かつ容易となり、知能ロボット
実現のための重要な触覚センサが実現される。
(Effect of the Invention) According to the present invention, since the gripping force and the sensor output signal have a linear relationship, it is possible to detect the gripping force with high accuracy when gripping a target object, or to perform delicate gripping force control. Become. As a result of the advantages of the present invention, control of various robots represented by industrial robots becomes simple and easy, and an important tactile sensor for realizing an intelligent robot is realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1〜第3図は、それぞれ、本発明の第1〜第3の実施
例を示す図であり、概念的な構造断面図である。 図において、1,2…グリッパ、3…方向、4,5…可
動板、6,7…ベローズ、8,9…接続部、10,11…配
管、12…差圧型圧力センサ、13,14…圧力導入ポート、
24,25…可動機構をそれぞれ示す。
1 to 3 are views showing first to third embodiments of the present invention, respectively, and are conceptual structural sectional views. In the figure, 1, 2 ... Gripper, 3 ... Direction, 4, 5 ... Movable plate, 6, 7 ... Bellows, 8, 9 ... Connection part, 10, 11 ... Piping, 12 ... Differential pressure type pressure sensor, 13, 14 ... Pressure introduction port,
24, 25 ... Movable mechanisms are shown respectively.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも第1指と第2指から成るグリッ
パの表面に設けられ、把持対象物体と接触する、それぞ
れ、第1および第2の可動部と、該可動部の背面に位置
する密閉された、それぞれ、第1および第2の流体と、
該第1および第2の流体の圧力差を検出する差圧型の圧
力センサとから成り、該グリッパが当該把持対象物を把
持した時の把持力を、当該可動部の変位および当該流体
の圧力変化を介して検出することを特徴とする触覚セン
サ。
1. A first movable portion and a second movable portion, which are provided on a surface of a gripper including at least a first finger and a second finger and contact with an object to be grasped, respectively, and a seal located on a back surface of the movable portion. A first and a second fluid, respectively,
A pressure sensor of a differential pressure type for detecting a pressure difference between the first and second fluids, and a gripping force when the gripper grips the gripping target is determined by a displacement of the movable part and a pressure change of the fluid. A tactile sensor characterized by being detected via a sensor.
JP59200210A 1984-09-25 1984-09-25 Tactile sensor Expired - Lifetime JPH066277B2 (en)

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US10908033B2 (en) 2017-03-09 2021-02-02 Korea Institute Of Machinery & Materials Pneumatic-based tactile sensor

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JPS6179592A (en) 1986-04-23

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