JPH08110271A - 光学的力センサ、外力検出装置、および外力検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電磁ノイズや電気絶縁性に優れてロボットハ
ンド等に生じる外力やモーメントを精度良く検出する。 【構成】 力センサ１０は、相対変位する２つのフレー
ム５２、５４へ各々固定される一対の取付板１２、１４
を有し、第１取付板１２に片持ち梁部１６を形成し、第
２取付板を片持ち梁部の端部に連結一体化する。前記片
持ち梁１６の端面にシャッタ３０を設け、シャッタの可
動領域で部分的に遮光される計測信号伝送光路と、前記
シャッタの可動領域外で光伝送をなす参照信号伝送光路
とを形成する投光用光ファイバーと受光用光ファイバー
とをシャッタを挟んで対向配置した構成とする。また、
このセンサを用いて対面配置された固定側フレームと操
作側フレームの操作中心からの円周上の等角度位置にて
両フレーム面同志をその直交する方向で連結するととも
に、フレーム面の面方向で連結するようにし、これらを
交互に配置した構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学的力センサ、外力検
出装置、および外力検出方法に係り、特にロボットの手
先の作業動作を制御するために手先に加わる力やモーメ
ントを検出するのに好適な光学的力センサ、外力検出装
置、および外力検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボットの手先の作業動作を制御
するために手先に加わる力やモーメントを検出するには
歪ゲージを用いられている。また、特公平４−７２６７
２号公報に示されているように、光学式の外力検出装置
をとしたものも提案されている。後者の光学式検出装置
は、投光部に発光ダイオードを設けたり、受光部にイメ
ージセンサを使用したものであり、外力による変位をロ
ボットハンド上で受光点の光学的位置変位として捉える
ことによって外力を検出するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の歪ゲ
ージや光学的素子（発光ダイオード、イメージセンサ）
を用いた外力検出装置を、電磁ノイズが多く発生する環
境や電気的絶縁が必要とされる場所、あるいは防爆仕様
が必要とされる条件化で使用する場合には、これらへの
対策が非常に困難となっている。例えば、通電したまま
送電線や配電線の作業を行う活線作業用ロボットの手先
に力センサを取り付ける場合、絶縁対策が不可欠であ
り、センサから直接電線をロボット制御装置に配線する
ことができない。また、防爆環境下では、現状では本質
的に安全な防爆規定を満足するロボット用多軸センサ、
すなわち外力検出装置は未だ実現されていないため、外
力検出装置に電気を使用すると、規定条件を満足するた
めの対策が必要となり、装置として大型化して実用的で
なくなってしまう問題があった。

【０００４】本発明の目的は、上記従来の問題点に着目
し、特に電磁ノイズや電気絶縁性に優れてロボットハン
ド等に生じる外力やモーメントを精度良く検出すること
ができるようにした光学的力センサ、外力検出装置、お
よび外力検出方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る光学的力センサは、相対変位する２物
体へ各々取付けられる一対の取付板を有し、一方の第１
取付板に片持ち梁部を形成するとともに他方の第２取付
板を前記片持ち梁部の端部に連結し、両取付板の相対変
位に連動して撓み作動される片持ち梁の端面にシャッタ
を設け、このシャッタの可動領域で部分的に遮光される
計測信号伝送光路と、前記シャッタの可動領域外で光伝
送をなす参照信号伝送光路とを形成する投光用光ファイ
バーと受光用光ファイバーとをシャッタを挟んで対向配
置した構成とした。

【０００６】この場合において、前記計測信号伝送光路
および参照信号伝送光路を形成する投光用光ファイバー
を単一光源に接続した構成とし、また、前記計測信号伝
送光路と参照信号伝送光路を形成する光ファイバーは同
一のシース管に収容され、両光路を形成するファイバー
の撓みが同一となるように設定するように構成すればよ
い。

【０００７】また、本発明に係る外力検出装置は、単一
光源に接続された複数の投光用光ファイバーと、この投
光用光ファイバーに対向して各ファイバーからの投光を
受光する複数の受光用光ファイバーと、前記投光用およ
び受光用光ファイバーの少なくとも一対のファイバー端
面間によって計測信号伝送光路を形成するとともに、他
の少なくとも一対のファイバー端面間によって参照信号
伝送光路を形成し、前記計測信号伝送光路に臨まれると
ともに負荷外力に応じて伝送光路の遮光量を可変とする
シャッタを設け、前記受光用光ファイバーからの伝送光
を入力し、前記計測信号伝送光路と参照信号伝送光路か
らの各々の光強度の比を演算する光強度比演算出力手段
を設けたものである。

【０００８】また、外力検出装置として、固定側フレー
ムと操作側フレームとを対面配置し、前記操作側フレー
ムにから加えられた外力およびモーメントを検出する外
力検出装置であって、前記両フレームの操作中心からの
円周上の等角度位置にて両フレーム面同志をその直交す
る方向で連結するセンサとフレーム面の面方向で連結す
るセンサとを交互に設け、各センサは前記固定側フレー
ムのブラケットと操作側フレームのブラケットへ各々取
付けられる一対の取付板を有し、一方の第１取付板に片
持ち梁部を形成するとともに他方の第２取付板を前記片
持ち梁部の端部に連結し、両取付板の相対変位に連動し
て撓み作動される片持ち梁の端面にシャッタを設け、こ
のシャッタの可動領域で部分的に遮光される計測信号伝
送光路と、前記シャッタの可動領域外で光伝送をなす参
照信号伝送光路とを形成する投光用光ファイバーと受光
用光ファイバーとをシャッタを挟んで対向配置した。

【０００９】更に、本発明に係る外力検出方法は、固定
側フレームに固定される取付板と操作側フレームへ固定
される取付板とを一方の取付板側に形成した片持ち梁で
互いに連結することにより両フレーム間に加えられる外
力を前記片持ち梁の反り量に変換し、梁に設けたシャッ
タの可動領域に形成された計測信号伝送光路と前記シャ
ッタの可動領域外に形成された参照信号伝送光路とから
の各光強度を検出し、両光路の光強度の比を検出して前
記固定側フレームと操作側フレームとの間に生じた外力
を演算するように構成した。

【００１０】

【作用】上記構成によれば、力センサの一対の取付板を
相対変位する２つの物体、例えば固定側フレームと操作
側フレームとにそれぞれ取付け、取付け状態が両フレー
ムの変位方向に沿うように設定する。これにより１つの
軸線方向に沿った外力による変位を取付板の接離動作の
変位に変換することができる。このようなセンサを前記
両フレームの操作中心の周囲に等角度位置に平面方向と
直角方向の変位を検出するように平面用として３ヵ所、
直角用として３ヵ所設けることで６単軸方向の力ベクト
ルを検出することができる。取付板の接離動作変位を片
持ち梁の反り量に変換されるが、この反りに応動するシ
ャッタが設けられ、シャッタを挟んでその可動領域に計
測信号伝送光路を構成する投光／受光ファイバーを設
け、また、シャッタ可動領域外に別の光路を形成し参照
信号用として用いる投光／受光ファイバーを設けてい
る。したがって、外力検出装置を６単軸方向の力を検出
するセンサにより構成することができる。各力センサは
計測光路に加えて参照光路を備えており、しかも光反射
モードではなく、光伝送モードによって操作されること
になる。

【００１１】このようなことから、６単軸の各センサは
６つの明確に定義された力ベクトルを計測することがで
き、各センサはこれらのベクトルのただ１つを計測する
ものとなる。これにより、６つのセンサによる検出信号
から、２つの物体に加えられた力およびトルクのＸＹＺ
成分を演算する等式は単純となり、６つの連立方程式を
解く必要はない。また、力センサに加えられた力は、入
力側のファイバーから出力側のファイバーに至る光の伝
送を２種のファイバー間に配置された可動シャッタによ
り制御する。光面は２種のファイバー端面にだけ存在す
るため、光路における表面数を最小にし、光伝送におけ
る汚れ被膜による影響が低減されることとなる。光伝送
型の力センサでは、計測光路と同一の参照用光路を組み
付けるのに比較的容易にできる。しかも、参照光路は、
センサによる力計測感度を、 ａ）光源強度の変化、 ｂ）光ファイバーの撓みによる光減衰、 ｃ）ファイバー端面上の汚れ被膜、 ｄ）ロードセルにおける光ファイバー端面間にある汚れ
や煙などが存在しても、これらを充分に補償することが
できる。これは、センサ検出力は、絶対的な計測値では
なく、比（参照光路の光強度に対する計測光路の光強度
の比）から計算されるため、２つの光路（計測信号伝送
光路と参照信号伝送光路）は等しい減衰等が生じ、これ
らのファクターは両光路に等しく作用し、２つの光強度
の比は変化しないものとなるからである。

【００１２】また、外力検出装置は、フレーム面に直角
変位を検出するセンサの取付板で一対のフレーム同志を
連結することにより、装着応力や装着面の変形に対して
は全く問題とならない。したがって平らでない取付け面
に装置フレームをボルト締めしても、装置内の各センサ
へはいかなる影響もせず、取付け面の温度勾配によるゆ
がみがあっても各センサ出力に何等影響しない。

【００１３】個々のセンサ内における温度勾配はセンサ
出力に影響するが、センサのサイズを小さくできるの
で、この影響も小さくなる。また、必要とあらば、形状
が単純であるので、温度歪の解析を行って、温度勾配の
影響を補正することも比較的容易である。

【００１４】更に、外力検出装置は異なる力／トルクレ
ンジへの適応が簡単であり、独立したセンサだけが応力
や変形の解析に必要とされ、センサアッセンブリの全部
は解析には必要とされない。センサは単軸方向ベクトル
のみを検出する構成となっているため、比較的単純な限
定された要素モデルからセンサの応力や変形を検出する
ことができ、各センサが限定された要素モデルとして機
能することで、外力やトルクの解析が可能となってい
る。

【００１５】上記外力検出装置では、等角度位置に配置
された６個のセンサを装置に組み付けた後、２つの直交
する較正力を付与することによって簡単に較正カーブを
得ることができる。

【００１６】個々のセンサが損傷を受けた場合、これだ
けを取り替えて容易に修理できる。センサの経年安定性
は良好である。参照光路を用いる手法によって、経年変
化を大幅に抑えることが可能となっている。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面を参照して詳
細に説明する。図１〜図２は実施例に係る力センサの詳
細を示している。図示のように、この力センサ１０は、
相対変位する２つの固定側フレームと操作側フレーム
（後述）の各々に固定可能とされとともに、相互に連結
されつつ取付けたフレーム相互の変位に応じて間隔を可
変とした一対の取付板１２、１４を備えている。変位を
検出するため、両取付板１２、１４を片持ち梁１６によ
って連結一体化するように構成され、変動間隔をこの片
持ち梁１６の反りによって吸収するようにしている。す
なわち、取付板１２、１４を１枚の金属平板を研削加工
することによって成形し、図１（１）中に示したよう
に、下部の第１取付板１２の上部縁辺部の一端（図の右
端）から逆Ｌ字状となる片持ち梁１６を形成し、この梁
１６の先端上面に形成されたネック部１８を介して第２
取付板１４を連接するようにしている。このため、第１
取付板１２に対して第２取付板１４を板面方向に沿って
接離させたときに、この接離変位に応動する反りが前記
片持ち梁１６に発生させるようにしている。

【００１８】前記第１、第２の取付板１２、１４には板
面を貫通する一対の取付穴２０が形成され、これを後述
するように相対変位する固定側フレームと操作側フレー
ムの各々に取付けるための固定軸の挿入穴として用いて
いる。各取付穴２０にはボールベアリング２２が装着さ
れており、軸との接触摩擦を低減させつつ取付板１２、
１４が固定軸回りに多少回転することを許容している。
この取付穴２０の中心軸線方向は板面に直交するが、同
時に両取付穴中心を結ぶ連結線に沿う方向を前記取付板
１２、１４の変位方向に一致するようにするとともに、
前記片持ち梁１８の延長方向がこの穴中心連結線に直交
するように設定されている。片持ち梁１８は第１取付板
１２の上部縁辺の一端から縁辺の他端側に向けて延長さ
れているが、第１取付板１２の本体部分にはこの延長先
端部分が挿入される窓２４を形成している。そして、こ
の窓２４への梁１６の挿入穴の上面部分を片持ち梁１６
の可動範囲を規制する上面ストッパ２６とし、挿入穴の
下面部分を片持ち梁１６の下部可動範囲を規制する下面
ストッパ２８としている。これにより過大な力の作用に
よる過剰変位が片持ち梁１６に生じないようにしている
のである。

【００１９】また、前記片持ち梁１６の先端部が、前述
したように第１取付板１２の窓２４内に挿入されて上下
に撓み可能となっているが、窓２４の内部に位置する梁
１６の先端面には平板からなるシャッタ３０を窓２４の
底部に向けて垂下されるように取付けている。したがっ
てシャッタ３０は窓２４の内部で梁１６の動作に応じて
上下に位置を変えられる。

【００２０】このような構成において、前記シャッタ３
０に対面する窓２４の両側面部分には、それぞれ出力側
の投光用光ファイバーケーブル３２と、入力側の受光用
ファイバーケーブル３４が臨まれている。これは第１取
付板１２の両外側面から窓側面に通じるケーブル挿通孔
を形成しておき、ケーブル３２、３４を挿入して、ケー
ブル先端面を窓２４の内部に臨ませ、ケーブル３２、３
４の上半部が前記シャッタ３０により遮蔽されるように
取付けたものとなっている。このようなケーブル３２、
３４は実施例では直径１ｍｍのプラスチックシース管３
６の内部に４本のファイバー３８（３８Ａ、３８Ｂ、３
８Ｃ、３８Ｄ）を収容した構成となっており、窓２４に
臨んでいる投光側と受光側の各ファイバー光端面を前記
シャッタ３０を挟んで対向させている。この場合、４本
のファイバー３８は投光側および受光側ともに菱形コー
ナに位置するように配置されており、図１（２）の模式
図に示すように、一対のファイバー３８Ａ、３８Ｄを上
下に、他の一対のファイバー３８Ｂ、３８Ｃを上記ファ
イバー対３８Ａ、３８Ｄの中間位置で水平に配置してい
る。これらの各ファイバー３８は投光側と受光側で対を
なしているファイバー同志の光軸が一致するように配置
され、したがって、上部出力側ファイバー３８Ａoと上
部入力側ファイバー３８Ａiの光軸が一致し、中間出力
側ファイバー３８Ｂo、３８Ｃoと中間入力側ファイバー
３８Ｂi、３８Ｃiとの光軸がそれぞれ一致し、更に下部
出力側ファイバー３８Ｄoと上部入力側ファイバー３８
Ｄiの光軸が一致するように構成されている。シャッタ
３０を挟んで対向しているこれらのファイバーの光端面
間にはファイバーを媒介としない光伝送路が形成される
ことになる。図示上では、ファイバーを大きく分離して
示しているが、ファイバーの分離距離はおよそ１００ミ
クロンである。

【００２１】ファイバー３８の投光面および受光面と、
シャッタ３０の配置関係の具体的構成を図２を参照して
説明する。投光側と受光側の各ファイバー３８の光端面
の間に前記シャッタ３０が配置され、前述した片持ち梁
１６の反りによってシャッタ３０が上下に位置を変える
が、負荷が発生していないニュートラル位置では、シャ
ッタ３０の下縁が丁度前記中間出力側ファイバー３８Ｂ
o、３８Ｃo（中間入力側ファイバー３８Ｂi、３８Ｃi）
の光軸を結ぶ線上にあるように設定され、シャッタ３０
はこれより上方側の光伝送路を遮蔽するようにしてい
る。しかも、前記ストッパ２６、２８により規制される
シャッタ３０の可動領域は、図２（２）に示しているよ
うに、上部入出力ファイバー３８Ａo、３８Ａiの下縁、
下部入出力ファイバー３８Ｄo、３８Ｄiの上縁を限界と
している。したがって、上部入出力ファイバー３８Ａ
o、３８Ａiによる光伝送路はシャッタ３０により常時遮
蔽され、下部入出力ファイバー３８Ｄo、３８Ｄiによる
光伝送路は常時導光状態となるように設定されるととも
に、中間出力側ファイバー３８Ｂo、３８Ｃoと中間入力
側ファイバー３８Ｂi、３８Ｃiとにより形成される一対
の光伝送路はシャッタ３０の位置移動により光伝送面積
が可変となり、これにより入力側のファイバー３８Ｂ
i、３８Ｃiへの受光強度が変化することになる。そこ
で、このセンサ１０では、受光強度がシャッタ３０によ
り変化する中間出力側ファイバー３８Ｂo、３８Ｃoと中
間入力側ファイバー３８Ｂi、３８Ｃiとにより形成され
る一対の光伝送路を計測信号伝送光路とし、他方の受光
強度がシャッタ３０の変位によっては変化しない上下入
出力ファイバー３８Ａo、３８Ａi、３８Ｄo、３８Ｄiに
よる光伝送路を参照信号伝送光路として用いるようにし
ている。

【００２２】このように構成された光学的力センサ１０
の単体を用いた外力検出装置を図３に示す。投光用光フ
ァイバーケーブル３２の基端部分には単一光源４０が接
続されており、これにより４本の投光用光ファイバー３
８Ａo、３８Ｂo、３８Ｃo、３８Ｄoに同一光量を供給伝
送させるようにしている。前記第１取付板１２の窓２４
において、この投光用光ファイバー３８Ａo、３８Ｂo、
３８Ｃo、３８Ｄoに対向して各ファイバー端面からの出
力された光を受光する複数の受光用光ファイバー３８Ａ
i、３８Ｂi、３８Ｃi、３８Ｄiが配置されているが、こ
れらの光授受端面間に、上記した如く計測信号伝送光路
と参照信号伝送光路が形成されるようにしている。そし
て、前記受光用光ファイバー３８Ａi、３８Ｂi、３８Ｃ
i、３８Ｄiは、上記計測信号伝送光路のファイバー３８
Ｂi、３８Ｃiと、参照信号伝送光路のファイバー３８Ａ
i、３８Ｄiとに分岐され、前者は計測信号増幅器４２
へ、後者は参照信号増幅器４４に接続され、それぞれ入
力された受光量に応じた電圧信号Ｖmeas（＝ＶB＋Ｖ
C）、Ｖref（＝ＶA＋ＶD）に変換増幅するようにしてい
る。これら増幅器４２、４４の出力信号を入力する光強
度比演算器４６が設けられ、この演算器４６では計測信
号伝送光路と参照信号伝送光路からの電圧信号Ｖmeas、
Ｖrefを入力して、

【００２３】

【数１】Ｖratio＝Ｖmeas／Ｖref を計算し、光強度比として出力するようにしている。こ
れによりシャッタ３０による計測信号伝送光路の遮蔽
量、すなわち第１、第２取付板１２、１４に作用する外
力に応じて片持ち梁１６を撓ませる力の大きさを判定す
ることができる。この場合、参照信号との比として出力
しているので、センサ１０が置かれている環境状態が変
動しても、また光源４０の変動やケーブル３２、３４の
曲げによる伝送光の減衰があっても精度よく検出でき
る。

【００２４】なお、上記例では、市販品の４本のファイ
バー３８を収容しているケーブル３２、３４を用いてい
るが、基本的には２本のファイバーを用い、一方はシャ
ッタ３０による可動領域におき、他方は可動領域外に設
置するようにすることで充分に対処できる。

【００２５】上述した光学式力センサ１０では、第１、
第２取付板１２、１４が取付けられる２つの物体に作用
する外力を検出できるが、このセンサ１０を複数組込ん
だ外力検出装置を構成し、ロボットハンドの手先の作業
動作を制御するために手先に加わる力やモーメントを検
出するのに用いることができる。これは図４に示すよう
に、例えば、高所高電圧伝送ラインの設置および保守の
ためのマスタースレーブ型マニピュレータのアーム４８
に取付けることにより、作業の単純化を図るようにして
いる。マニピュレータのリスト部分に外力検出装置５０
Ａを取付け、あるいは工具取付面に外力検出装置５０Ｂ
を取付けておき、リストあるいは工具に作用する外力や
トルクをセンシングするものとしている。このような目
的で構成される外力検出装置５０を図５に示す。

【００２６】この外力検出装置５０は、マニピュレータ
アーム４８の基端側に位置する固定側フレーム５２と、
アーム先端側に位置する操作側フレーム５４とを有して
おり、この両者を上述した力センサ１０によって連結一
体化した構造となっている。これは固定側フレーム５２
と操作側フレーム５４とを対面配置し、両フレーム５
２、５４の操作中心からの円周上の等角度位置にて両フ
レーム面同志をその直交する方向で連結するＺ軸センサ
とフレーム面の面方向で連結するＸＹセンサとを交互に
配置して構成されている。実施例では６軸力センサとし
て構成され、このためにＺ軸センサをフレーム５２、５
４の周囲に１２０度間隔で配置し、同時にＸＹセンサを
Ｚ軸センサの中間に位置するようにフレーム５２、５４
の周囲に１２０度間隔で配置したものとなっている。

【００２７】このような構成を採用するため、前記フレ
ーム５２、５４を六角ナット様に形成し、六角面の１つ
の外側面にて両フレーム５２、５４を肉厚方向に配置さ
れたセンサ１０（Ｚ軸センサ）により連結し、これと隣
接する外側面にて両フレーム５２、５４を接合面に沿う
方向に配置されたセンサ１０（ＸＹセンサ）にて両者を
連結する構造とし、この配置が交互になるように設定し
ている。このようなセンサ取付構造を実現するためのフ
レーム形状を図６に示している。図６（１）は操作側フ
レーム５４の側面図、同（２）はフレーム同志の接合面
側平面図、同（３）はアーム取付面となる外面側平面図
である。フレーム５４は六角ナット様に形成されたリン
グフレーム構造であって、六角面の１辺部におけるフレ
ーム同志の対面部高さを最大肉厚のほぼ半分程度にした
Ｚ軸センサ取付部５６を形成している。そして、隣接す
る他の１辺部におけるフレーム同志の対面部には縁辺長
さの半部を最大肉厚としている突起５８を形成するとと
もに、他の半部を凹陥部６０として形成し、この凹陥部
６０に対向する固定側フレーム５２の突起５８Ａを受け
入れ可能としているのである。上記Ｚ軸センサ取付部５
６にはセンサ１０の第２取付部１４におけるボールベア
リング２２に挿通される固定軸６２の取付穴６４が形成
され、また突起５８にもＸＹセンサの第２取付板１４に
おけるボールベアリング２２に挿通される固定軸６２の
取付穴６４が形成されている。

【００２８】このようなことから、操作側フレーム５４
と、これと対称に形成された固定側フレーム５２とを互
いに対面させ、図５（１）に示すように、Ｚ軸センサ１
０zを垂直に配置して第１取付板１２を固定側フレーム
５２へ、第２取付板１４を操作側フレーム５４に固定
し、ＸＹセンサ１０xyを図中水平に配置して同様に第１
取付板１２を固定側フレーム５２の突起５８Ａへ、第２
取付板１４を操作側フレーム５４の突起５８にそれぞれ
固定している。Ｚ軸センサ１０zとＸＹセンサ１０xyと
は六角面に交互に配置され、これにより、Ｚ軸センサ１
０zが１２０度の等間隔に配置され、同様にＸＹセンサ
１０xyも１２０度の等間隔に配置されることになる。

【００２９】このように構成された外力検出装置５０の
各センサは単軸方向の力を検出するが、上述したセンサ
１０の配置構成によって、図７に示すように、３個のセ
ンサ１０zはフレーム５２、５４のＺ軸方向に平行な力
を計測し、他の３個のセンサ１０xyはフレーム５２、５
４の接合面であるＸＹ平面における力を計測する。６つ
の力（Ｆa1、Ｆa2、Ｆa3、Ｆc1、Ｆc2、Ｆc3）を六角形
のコーナ部分で計測することによって、操作側フレーム
５２に加えられた力／トルク（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍ
ｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）のＸ、Ｙ、Ｚ成分を次式の簡単な６つ
の等式によって計算することができる。

【００３０】

【数２】Ｆｘ＝[(√３)/２]×(−Ｆc1＋Ｆc3) Ｆｙ＝−Ｆc2＋(１／２)(Ｆc1＋Ｆc3) Ｆｚ＝Ｆa1＋Ｆa2＋Ｆa3 Ｍｘ＝[Ｒ(√３)/２]×(Ｆa2−Ｆa3) Ｍｙ＝(Ｒ／２)(Ｆa2−２Ｆa1＋Ｆa3) Ｍｚ＝Ｒ(Ｆc1＋Ｆc2＋Ｆc3)

【００３１】６つのセンサ１０の各投光用光ファイバー
ケーブル３２は、図３に示したように同一の単一光源４
０に接続されており、受光用光ファイバーケーブル３４
のファイバーは計測信号伝送光路に対応するものと、参
照信号伝送光路に対応するものとに分別されて、各々増
幅器４２、４４へ接続されている。そして、図示してい
ないが、増幅器４２、４４の出力はＡＤコンバータを介
してコンピュータに入力され、コンピュータは光強度比
と６つの力／トルク成分を前記数式２に基づいて演算す
るものとなっている。

【００３２】このように構成された光学的力センサおよ
びこれを用いた外力検出装置の作用は次のようになる。

【００３３】まず、力センサ１０では、２つの低摩擦ベ
アリング２２が用いられ、センサがベアリングセンタを
通る力ベクトルにのみ反応する。加えられた力が片持ち
梁１６を曲げ、梁１６の端部の反りが１組の光ファイバ
ーと梁端に取付けたシャッタ３０とによって測定され
る。シャッター３０は出力ファイバー３８Ｂo、３８Ｃo
から入力ファイバー３８Ｂi、３８Ｃiに伝送される光の
伝送量を制御し、これによって伝送される光の強度が加
えられた力によりコントロールされる。

【００３４】センサ１０は、シャッタ３０の最大の反り
の移動範囲で、ファイバー３８Ｂo、３８Ｃoからファイ
バー３８Ｂi、３８Ｃiに伝送される光のみを制御するよ
うに設計されている。シャッタ３０はファイバー３８Ｄ
o、３８Ｄiを通る光を遮蔽したり、ファイバー３８Ａ
o、３８Ａiからの光を透過させたりすることは全くな
い。したがって、ファイバー３８Ｄo、３８Ｄiは参照信
号伝送光路として利用することができる。

【００３５】これら４本のファイバーを通して伝送され
た光強度を図７（２）にグラフとして示している。この
例では、受光量に応じた電圧信号Ｖmeas、Ｖrefに代え
て電流信号を検出しており、計測信号伝送光路での受光
信号Ｉsig（ファイバー３８Ｂ、３８Ｃ）とＩref（ファ
イバー３８Ｄ）の比を採用している。この電流比の採用
により、計測値は絶対的な値ではなく相対的な計測値と
なり、光源光強度の変動はキャンセルされる（全てのフ
ァイバーは単一の光源から照射されている）。加えて、
信号および参照ファイバーは殆ど同一の曲げ挙動を示す
ので、ファイバーの撓みに起因する光強度の変動はほと
んどキャンセルされる。光強度比はしたがって加えられ
た力のみの因子となるのである。

【００３６】次に、図５に示した外力検出装置５０を用
いて、操作側フレーム５４に負荷を加えた試験結果を図
８に示す。この試験は４ｋｇずつ負荷を増大させた場合
と負荷を減少させた場合について２回行った。したがっ
て、各負荷時に４つのデータが得られている。各負荷に
おける４つのデータポイントの偏差はヒステリシスによ
って最初に引き起こされる。ヒステリシスはベアリング
および負荷試験装置の摩擦によるものである。このよう
な例では、平均値からの偏差はフルスケール信号のおよ
そ１％であり、極めて良好な線形性を示すものとなる。
しかし、線形性は望ましいものの必ずしも必要ではな
い。これは、非線形センサの応答はコンピュータにてテ
ーブル参照によりあるいは曲線対応プログラムにより補
償することができるからである。

【００３７】このような実施例によれば、外力検出部分
に電子部品を使用することなく外力を検出することがで
き、これにより外力検出が必要なロボットを危険区域に
設置して作業させ、外力の算出演算処理部分は安全区域
に設置して所要の制御を行わせることができる。しか
も、外力の算出に必要な変位の検出は伝送光路の光量変
化を捉えて行うため作業箇所では電気絶縁が完全に確保
され、したがって通電中の活線作業に用いるロボットに
適用できる。また、センサは光の反射を利用せず伝送光
路での遮蔽量を検出するようにし、しかも参照信号伝送
光路での光量との比を検出するため、光端面がダストで
汚れたり、ガス雰囲気に晒されても精度のよい検出が可
能となり、耐振動、耐衝撃性、耐電波および耐電磁波特
性に優れた力センサや外力検出装置を構成することがで
きる。また、外力検出装置は６つの端軸センサを３組が
フレーム接合面に直交するように配置させ、３組が接合
面に平行に配置させることにより、ロボットアームなど
の取付面が平坦でなくてもセンシングに影響を与えるこ
となく設置することができるものとなり、アッセンブリ
が簡単にできる利点が得られる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
相対変位する２物体へ各々固定される一対の取付板を有
し、一方の第１取付板に片持ち梁部を形成するとともに
他方の第２取付板を前記片持ち梁部の端部に連結一体化
し、両取付板の相対変位に連動して撓み作動される片持
ち梁の端面にシャッタを設け、このシャッタの可動領域
で部分的に遮光される計測信号伝送光路と、前記シャッ
タの可動領域外で光伝送をなす参照信号伝送光路とを形
成する投光用光ファイバーと受光用光ファイバーとをシ
ャッタを挟んで対向配置したセンサ構成とし、また、こ
のセンサを用いて対面配置された固定側フレームと操作
側フレームの操作中心からの円周上の等角度位置にて両
フレーム面同志をその直交する方向で連結するととも
に、フレーム面の面方向で連結するようにし、これらを
交互に配置した構成としたので、光反射を利用しないた
め反射面の汚れを生じるような悪環境での使用が可能と
なり、参照信号との比を検出するためファイバー減衰が
生じても精度高く外力を検出することができる上、単軸
方向のみの外力センシングによって装置に加わる外力お
よびトルクを簡単な演算により検出することができると
いう優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】力センサの斜視図と要部構成の説明斜視図であ
る。

【図２】力センサにおける光ファイバーとシャッタの関
係を示す模式図である。

【図３】力センサを用いた単軸外力の検出装置の構成図
である。

【図４】外力検出装置をマニピュレータに適用する配置
説明図である。

【図５】マニピュレータアームに用いられる外力検出装
置の全体構成を示す側面図および平面図である。

【図６】フレームの側面図および内外平面図である。

【図７】外力検出装置による検出ベクトルの説明図およ
び力センサの検出特性図である。

【図８】外力検出装置の信号比と力／トルクの関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

１０ 力センサ １２ 第１取付板 １４ 第２取付板 １６ 片持ち梁 １８ ネック部 ２０ 取付穴 ２２ ボールベアリング ２４ 窓 ２６ 上面ストッパ ２８ 下面ストッパ ３０ シャッタ ３２ 投光用光ファイバー ３４ 受光用光ファイバー ３６ シース管 ３８ 光ファイバー ４０ 単一光源 ４２ 計測信号増幅器 ４４ 参照信号増幅器 ４６ 光強度比演算器 ４８ マニピュレータアーム ５０ 外力検出装置 ５２ 固定側フレーム ５４ 操作側フレーム ５６ Ｚ軸センサ取付部 ５８ 突起 ６０ 凹陥部 ６２ 固定軸 ６４ 取付穴

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対変位する２物体へ各々固定される一
   対の取付板を有し、一方の第１取付板に片持ち梁部を形
   成するとともに他方の第２取付板を前記片持ち梁部の端
   部に連結一体化し、両取付板の相対変位に連動して撓み
   作動される片持ち梁の端面にシャッタを設け、このシャ
   ッタの可動領域で部分的に遮光される計測信号伝送光路
   と、前記シャッタの可動領域外で光伝送をなす参照信号
   伝送光路とを形成する投光用光ファイバーと受光用光フ
   ァイバーとをシャッタを挟んで対向配置したことを特徴
   とする光学的力センサ。
2. 【請求項２】 前記計測信号伝送光路および参照信号伝
   送光路を形成する投光用光ファイバーを単一光源に接続
   したことを特徴とする請求項１に記載の光学的力セン
   サ。
3. 【請求項３】 前記計測信号伝送光路と参照信号伝送光
   路を形成する光ファイバーは同一のシース管に収容さ
   れ、両光路を形成するファイバーの撓みが同一となるよ
   うに設定したことを特徴とする請求項１に記載の力セン
   サ。
4. 【請求項４】 単一光源に接続された複数の投光用光フ
   ァイバーと、この投光用光ファイバーに対向して各ファ
   イバーからの投光を受光する複数の受光用光ファイバー
   と、前記投光用および受光用光ファイバーの少なくとも
   一対のファイバー端面間によって計測信号伝送光路を形
   成するとともに、他の少なくとも一対のファイバー端面
   間によって参照信号伝送光路を形成し、前記計測信号伝
   送光路に臨まれるとともに負荷外力に応じて伝送光路の
   遮光量を可変とするシャッタを設け、前記受光用光ファ
   イバーからの伝送光を入力し、前記計測信号伝送光路と
   参照信号伝送光路からの各々の光強度の比を演算する光
   強度比演算出力手段を設けたことを特徴とする外力検出
   装置。
5. 【請求項５】 固定側フレームと操作側フレームとを対
   面配置し、前記操作側フレームにから加えられた外力お
   よびモーメントを検出する外力検出装置であって、前記
   両フレームの操作中心からの円周上の等角度位置にて両
   フレーム面同志をその直交する方向で連結するセンサと
   フレーム面の面方向で連結するセンサとを交互に設け、
   各センサは前記固定側フレームのブラケットと操作側フ
   レームのブラケットへ各々固定される一対の取付板を有
   し、一方の第１取付板に片持ち梁部を形成するとともに
   他方の第２取付板を前記片持ち梁部の端部に連結し、両
   取付板の相対変位に連動して撓み作動される片持ち梁の
   端面にシャッタを設け、このシャッタの可動領域で部分
   的に遮光される計測信号伝送光路と、前記シャッタの可
   動領域外で光伝送をなす参照信号伝送光路とを形成する
   投光用光ファイバーと受光用光ファイバーとをシャッタ
   を挟んで対向配置したことを特徴とする外力検出装置。
6. 【請求項６】 固定側フレームに固定される取付板と操
   作側フレームへ固定される取付板とを一方の取付板側に
   形成した片持ち梁で互いに連結することにより両フレー
   ム間に加えられる外力を前記片持ち梁の反り量に変換
   し、梁に設けたシャッタの可動領域に形成された計測信
   号伝送光路と前記シャッタの可動領域外に形成された参
   照信号伝送光路とからの各光強度を検出し、両光路の光
   強度の比を検出して前記固定側フレームと操作側フレー
   ムとの間に生じた外力を演算することを特徴とする外力
   検出方法。