JPH08145829A

JPH08145829A - 操作力検出装置

Info

Publication number: JPH08145829A
Application number: JP6308324A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Inamoto; 信一稲本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1994-11-17
Filing date: 1994-11-17
Publication date: 1996-06-07
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: JP3423090B2

Abstract

(57)【要約】【目的】操作力の作用方向が多少ずれたとしても、不
感帯を設けることなく、操作力に応じた検出信号を相手
機械へ供給することが出来る操作力検出装置を提供す
る。【構成】ベース11上に、捩り作用軸17を一端固定、他
端自由に架設すると共に、該捩り作用軸17の両端部に
は、２本のアーム14、15を介してハンドル16を連結し、
捩り作用軸17の外周面には２枚のアクティブゲージ２、
21を貼着すると共に、ベース11の表面には２枚のダミー
ゲージ22、23を貼着して、力センサー20を構成する。そ
して、該力センサー20の出力を測定回路３へ供給して、
ハンドル16に対して捩り作用軸17の捩り方向へ作用する
１軸方向の操作力を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、操作力を相手機械に増
幅して伝えるパワーアシスト装置や、ハンドル操作によ
って相手機械の動作を制御するマスター・スレーブ制御
システム等において、操作力を検出して相手機械の制御
回路へ供給するための操作力検出装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ベッド上に横たわった患者を他の
ベッド等に移載するための移載介助装置が知られてお
り、斯種移載介助装置の制御システムにマスター・スレ
ーブ方式を導入することが検討されている。

【０００３】マスター・スレーブ方式の移載介助装置に
おいては、介護者がマスターハンドを操作することによ
って、患者を運搬するための移載プレートが移動して、
患者をベッドから受け取り、或いは他のベッドへ移載す
る。マスターハンドの操作力は一般にロードセルを用い
て検出され、操作力に応じた駆動力が移載プレートに与
えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ロード
セルはその構造上、所定の１軸方向の作用力は正確に検
出出来るが、該１軸方向からずれた方向に力が作用した
場合には、作用力と検出信号の関係にヒステリシスが生
じて、所期の測定性能が得られない。特に、移載介助装
置に応用した場合は、ヒステリシスによって移載プレー
トが意図しない方向に移動して、極めて危険である。そ
こで従来は、作用力と検出信号の関係の零点付近に、制
御の不感帯を設けて、ヒステリシスの影響を回避してい
たが、これによって微妙な操作が困難となり、操作性が
低下する。

【０００５】本発明の目的は、操作力の作用方向が多少
ずれたとしても、不感帯を設けることなく、操作力に応
じた検出信号を相手機械へ供給することが出来る操作力
検出装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る操作力検出装
置は、ベース(11)上に、捩り作用軸(17)を一端固定、他
端自由に架設すると共に、該捩り作用軸(17)の自由端部
にはアーム(14)を介してハンドル(16)を連結し、捩り作
用軸(17)には、捩りに伴う応力を検出するための力セン
サー(20)が取り付けられ、力センサー(20)の出力を測定
回路(３)へ供給して、ハンドル(16)に対して捩り作用軸
(17)の捩り方向へ作用する１軸方向の操作力を検出する
ものである。

【０００７】又、本発明に係る他の操作力検出装置は、
ベース(11)上に、捩り作用軸(17)を一端固定、他端自由
に架設すると共に、該捩り作用軸(17)の自由端部にはア
ーム(14)を介してハンドル(16)を連結し、捩り作用軸(1
7)には、捩りに伴う応力を検出するための力センサー(2
0)が取り付けられると共に、ハンドル(16)の近傍には、
ハンドル(16)に対する操作力の方向を転換する際に操作
すべき切換えスイッチ(４)が配備され、力センサー(20)
及び切換えスイッチ(４)の出力を測定回路(３)へ供給し
て、ハンドル(16)に対して捩り作用軸(17)の捩り方向へ
作用する２軸方向の操作力を検出するものである。

【０００８】

【作用】上記第１の操作力検出装置においては、ハンド
ル(16)を把持して１軸方向(例えば水平方向)に操作力を
加えると、該操作力に応じた大きさのトルクが捩り作用
軸(17)の自由端部に作用して、該捩り作用軸(17)には捩
りによる応力が発生し、該応力は力センサー(20)によっ
て検出される。この際、操作力の方向が僅かに変化した
としても、捩り作用軸(17)の自由端部は回転方向には全
く拘束されていないので、力センサー(20)からは操作力
に応じた大きさの検出信号が出力され、操作力と検出信
号の間にはヒステリシスは生じない。

【０００９】力センサー(20)の出力は測定回路(３)に供
給されて、ハンドル(16)に作用する操作力に応じた信号
に変換された後、相手機械を動作させるための信号とし
て、相手機械の制御回路へ出力される。この結果、相手
機械は、操作力に応じた動作を行なう。

【００１０】又、上記第２の操作力検出装置において
は、ハンドル(16)に対し、例えば互いに直交する２軸方
向(水平方向及び垂直方向)の内、何れか一方の方向へ選
択的に作用力が加えられる。操作力の方向を切り換える
際には、切換えスイッチ(４)が操作され、その出力が測
定回路(３)へ供給される。これによって、測定回路(３)
は、力センサー(20)からの信号が何れの方向についての
操作力検出信号であるかを判別する。

【００１１】各作用方向における操作力の検出動作は上
記第１の操作力検出装置と全く同様であって、操作力と
検出信号の間にはヒステリシスは生じない。同様に力セ
ンサー(20)の出力は測定回路(３)に供給されて、ハンド
ル(16)に作用する操作力に応じた信号に変換された後、
相手機械を動作させるための信号として、相手機械の制
御回路へ出力される。この結果、相手機械は、切換えス
イッチの切換え及び操作力に応じた動作を行なう。

【００１２】

【発明の効果】本発明に係る操作力検出装置によれば、
ハンドルに対する操作力の作用方向が多少変化したとし
ても、操作力と検出信号の間にヒステリシスは生じない
ので、制御の不感帯を設けることなく、相手機械を微妙
にコントロールすることが出来る。

【００１３】

【実施例】先ず、本発明に係る操作力検出機構(１)の基
本的な構成につき、図面に沿って具体的に説明する。図
１に示す操作力検出機構(１)において、ベース(11)上に
は、一対の支持板(12)(13)が立設されており、両支持板
(12)(13)の間に、円筒状の捩り作用軸(17)が架設されて
いる。該捩り作用軸(17)の両端部には、アーム(14)(15)
を介して、ハンドル(16)が連結されている。尚、捩り作
用軸(17)はアルミニウム製であって、厚さ０.５ｍｍの
薄肉に形成されている。

【００１４】図２に示す様に、捩り作用軸(17)の右端部
(17ａ)は、支持板(12)に嵌めた軸受(18)によって回転自
由に支持されているのに対し、左端部(17ｂ)は支持板(1
3)に固定されている。又、右側のアーム(14)の基端部
は、捩り作用軸(17)の右端部(17ａ)に固定されているの
に対し、左側のアーム(15)の基端部は、支持板(13)の側
部(13ａ)に嵌めた軸受(19)によって回転自由に支持され
ている。

【００１５】２本のアーム(14)(15)は図３の如く４５度
の傾斜で伸びており、ハンドル(16)に対して、水平方向
の操作力Ｆが加えられると、捩り作用軸(17)には、操作
力Ｆとアームの垂直高さＬの積(Ｆ×Ｌ)の大きさのトル
クＴが作用することになる。

【００１６】本実施例では、上記トルクＴを検出するた
めに、４枚の歪ゲージからなる力センサー(20)を採用し
ている。即ち、捩り作用軸(17)の外周面には、図１に示
す様に２枚のアクティブゲージ(２)(21)を４５度の傾斜
角度で互いに交差させて貼り付けると共に、ベース(11)
の上面には、温度補償用の２枚のダミーゲージ(22)(23)
を貼り付けて、力センサー(20)を構成している。該力セ
ンサー(20)は測定回路(３)へ接続される。該測定回路
(３)は、回路基板(31)上に、信号処理回路(32)及び入出
力コネクター(33)(34)を配置して構成されている。

【００１７】図４は、信号処理回路(32)の具体的構成を
表わしている。上記４枚の歪ゲージ(２)(21)(22)(23)は
図示の如くブリッジ回路を構成しており、該ブリッジ回
路に対して、電圧調整器(36)から所定の電圧が印加され
る。アクティブゲージ(２)(21)が変形することによって
ブリッジ回路に発生する電圧は、差動アンプ(35)で増幅
された後、ローパスフィルター(37)を経てノイズが除去
された上、センサー出力Ｓとして後段回路へ供給され
る。尚、力センサー(20)と信号処理回路(32)を接続する
４本の信号線にはシールド(38)を施して、ノイズの影響
を可及的に低減させている。

【００１８】ここで、捩り作用軸(17)にトルクＴが作用
することによって、アクティブゲージに生じる歪εと、
捩り作用軸(17)に作用する剪断応力τの間には、下記数
１の関係式が成り立つ。ここで、Ｅは縦弾性係数、νは
ポアソン比である。

【００１９】

【数１】τ＝εＥ／(１＋ν) 又、捩り作用軸(17)の極断面係数をＺｐとすると、下記
数２が成り立つ。ここで、ｄ₁、ｄ₂は夫々、捩り作用軸
(17)の内径、外径である

【数２】Ｔ＝τ・Ｚｐ＝τ・(π／１６)・(ｄ₂ ⁴−ｄ₁ ⁴／ｄ₂)

【００２０】従って、上記力センサー(20)により剪断応
力τを測定することによって、上記数２からトルクＴを
導出することが出来、該トルクＴから図３に示す操作力
Ｆが算出されるのである。

【００２１】図５は、操作力Ｆとセンサー出力Ｓの関係
を実測してグラフ化したものである。測定は、操作力Ｆ
＝０を中心にして増大方向及び減少方向に変動させて、
その過程で得られるセンサー出力Ｓをサンプリングし
た。図５から明らかな様に、操作力の増大方向における
センサー出力の変化と減少方向におけるセンサー出力の
変化とは殆ど重なっており、ヒステリシスは発生してい
ない。

【００２２】上記操作力検出機構(１)においては、ハン
ドル(16)に対する操作力Ｆが捩り作用軸(17)に回転トル
クとして作用し、該捩り作用軸(17)は自由端部が軸受(1
8)に支持されると共に、捩り方向以外の変位が完全に拘
束されているため、力センサー(20)には、捩り作用軸(1
7)の捩りによる歪のみが加わる。従って、センサー出力
Ｓは、操作力Ｆの大きさを正確に反映することとなり、
精度の高い力検出が行なうことが出来る。

【００２３】次に、図６に示す如く水平駆動機構(61)及
び垂直駆動機構(62)からなる２軸駆動装置(６)に、本発
明の操作力検出機構(１)を応用した例について説明す
る。２軸駆動装置(６)は例えば患者の移載介助装置を水
平方向及び垂直方向の２軸方向に駆動するために用いら
れ、その際の介護者の操作力が操作力検出機構(１)によ
って検出される。２軸駆動装置(６)の動作は、マイクロ
コンピュータ等からな制御回路(５)によって制御されて
いる。

【００２４】垂直駆動機構(62)は垂直軸モータ(65)の駆
動によって垂直方向に動作し、水平駆動機構(61)全体を
昇降移動させるものである。又、水平駆動機構(61)は水
平軸モータ(63)の駆動によって水平方向に動作し、該水
平駆動機構(61)の出力部に、移載介助装置の移載プレー
ト(図示省略)が連結される。これによって、移載プレー
トは水平及び垂直の２軸方向に駆動されることになる。

【００２５】水平駆動機構(61)には水平軸モータ(63)の
回転量を計数するためのロータリエンコーダ(64)が取り
付けられ、垂直駆動機構(62)には垂直軸モータ(65)の回
転量を計数するためのロータリエンコーダ(66)が取り付
けられている。両ロータリエンコーダ(64)(66)から得ら
れるカウンター値は、インタフェース(54)を経て制御回
路(５)へ入力される。

【００２６】操作力検出機構(１)は、水平駆動機構(61)
上に配置されており、その基本的な構成は上述したとお
りであるが、水平駆動機構(61)及び垂直駆動機構(62)の
何れを動作させるかを選択するために、図１中に鎖線で
示す様にアーム(14)の上端部に切換えスイッチ(４)が取
り付けられている。該切換えスイッチ(４)は、例えばハ
ンドル(16)に水平方向の操作力をかけて、上記水平駆動
機構(61)を動作させるときにはＯＦＦ状態とし、ハンド
ル(16)に垂直方向の操作力をかけて、上記垂直駆動機構
(62)を動作させるときにはＯＮ状態とする。切換えスイ
ッチ(４)からのＯＮ／ＯＦＦ信号Ｃはインタフェース(5
2)を経て、制御回路(５)へ入力される。

【００２７】操作力検出機構(１)の力センサー(20)には
上述の測定回路(３)が接続されており、該測定回路(３)
からのセンサー出力Ｓは、インタフェース(53)を経て制
御回路(５)へ入力される。

【００２８】水平駆動機構(61)の水平軸モータ(63)及び
垂直駆動機構(62)の垂直軸モータ(65)には夫々、モータ
ドライバー(８)(９)が接続されている。これらのモータ
ドライバー(８)(９)は、制御回路(５)からインタフェー
ス(55)を通じて供給される指令値に応じて、各モータに
対する駆動電流を発生する。

【００２９】斯くして、操作力検出機構(１)の力センサ
ー(20)及び測定回路(３)によって検出された操作力に基
づき、２軸駆動装置(６)の水平軸モータ(63)或いは垂直
軸モータ(65)についての制御目標値(目標位置)が作成さ
れ、ロータリエンコーダ(64)(65)によって検出されたモ
ータ(63)(65)の実際の位置と目標位置との偏差に応じ
て、モータドライバー(８)(９)に対する指令値が作成さ
れて、切換えスイッチ(４)の操作で選ばれた一方のモー
タ(63)(65)が駆動されるのである。

【００３０】上記２軸駆動装置(６)用の操作力検出機構
(１)においては、図７(Ａ)に示す様にハンドル(16)に水
平方向の操作力Ｆｈをかけて、水平駆動機構(61)を動作
させる場合、該操作力のアーム(14)(15)と平行な分力ｆ
tは打ち消されるが、これと垂直な分力ｆpはアーム(14)
(15)を回転させる力となって、捩り作用軸(17)にトルク
Ｔを作用させる。この場合、制御回路(５)は、測定回路
(３)からのセンサー出力Ｓに基づいて、前記数２からト
ルクＴを導出し、更に該トルクＴから操作力Ｆｈを算出
する。

【００３１】又、切換えスイッチ(４)をＯＮとした上、
図７(Ｂ)に示す様にハンドル(16)に垂直方向の操作力Ｆ
ｖをかけて、垂直駆動機構(62)を動作させる場合、該操
作力のアーム(14)(15)と平行な分力ｆtは打ち消される
が、これと垂直な分力ｆpはアーム(14)(15)を回転させ
る力となって、捩り作用軸(17)にトルクＴを作用させ
る。この場合、制御回路(５)は、測定回路(３)からのセ
ンサー出力Ｓに基づいて、前記数２からトルクＴを導出
し、更に該トルクＴから操作力Ｆｖを算出する。

【００３２】図８は、制御回路(５)による制御手続きを
表わしている。先ずステップＳ１にて、力センサーから
得られるトルクデータをサンプリングする。ステップＳ
２では、前記切換えスイッチ(４)の操作によって垂直方
向の駆動が選択されたか否かを判断し、ＮＯの場合はス
テップＳ３へ移行し、ＹＥＳの場合はステップＳ６へ移
行する。

【００３３】ステップＳ３では、前述の如くトルクデー
タから水平方向の力Ｆｈを計算し、更にステップ４に
て、水平軸モータ(63)のドライバー(８)への指令値を計
算し、ステップＳ５にて、計算された指令値をドライバ
ー(８)へ出力する。

【００３４】一方、ステップＳ６では、トルクデータか
ら垂直方向の力Ｆｖを計算し、更にステップ７にて、垂
直軸モータ(65)のドライバー(９)への指令値を計算し、
ステップＳ８にて、計算された指令値をドライバー(９)
へ出力する。

【００３５】上記操作力検出機構(１)は従来のロードセ
ルによる操作力検出方式に比べて小形化が可能であるば
りでなく、操作力の方向が所定の水平方向或いは垂直方
向からずれた場合にも、ヒステリシスを生じることな
く、操作力に応じたセンサー出力が得られる。即ち、操
作力検出機構(１)のハンドル(16)にかけられた力は、捩
り作用軸(17)に対する捩り方向の分力が全く拘束を受け
ることなく、捩り作用軸(17)に回転力として作用し、力
センサー(20)によって捩り作用軸(17)の捩りに伴う剪断
応力が検出されるのに対し、アーム(14)(15)に沿う方向
の力成分はベース(11)上の軸受(18)(19)等によって完全
に受け止められ、力センサー(20)に作用することはな
い。従って、力センサー(20)は、操作力の大きさ及び作
用方向に拘わらず、図５の如く操作力に比例した大きさ
の出力信号Ｓを発するのである。

【００３６】又、図６に示す切換えスイッチ(４)を具え
た操作力検出機構(１)によれば、２軸駆動装置(６)に対
する２軸方向の操作力を共通の１つの力センサー(20)に
よって検出することが出来、２つのロードセルを配備せ
ねばならない従来装置に比べて、小形化、軽量化を図る
ことが出来る。

【００３７】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る操作力検出機構の外観を示す斜視
図である。

【図２】操作力検出機構の一部破断正面図である。

【図３】操作力検出機構に作用する力及びトルクを説明
する図である。

【図４】信号処理回路の構成を示すブロック図である。

【図５】操作力とセンサー出力の関係を表わすグラフで
ある。

【図６】操作力検出機構を２軸駆動装置に応用した例の
構成を表わすブロック図である。

【図７】ハンドルに対する２軸方向の操作力と、それに
よって発生するトルクの関係を説明する図である。

【図８】制御回路の制御手続きを表わすフローチャート
である。

【符号の説明】

(１) 操作力検出機構 (11) ベース (14)(15) アーム (16) ハンドル (17) 捩り作用軸 (20) 力センサー (２)(21) アクティブゲージ (22)(23) ダミーゲージ (３) 測定回路 (４) 切換えスイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベース(11)上に、捩り作用軸(17)を一端
固定、他端自由に架設すると共に、該捩り作用軸(17)の
自由端部にはアーム(14)を介してハンドル(16)を連結
し、捩り作用軸(17)には、捩りに伴う応力を検出するた
めの力センサー(20)が取り付けられ、力センサー(20)の
出力を測定回路(３)へ供給して、ハンドル(16)に対して
捩り作用軸(17)の捩り方向へ作用する１軸方向の操作力
を検出することを特徴とする操作力検出装置。
【請求項２】ベース(11)上に、捩り作用軸(17)を一端
固定、他端自由に架設すると共に、該捩り作用軸(17)の
自由端部にはアーム(14)を介してハンドル(16)を連結
し、捩り作用軸(17)には、捩りに伴う応力を検出するた
めの力センサー(20)が取り付けられると共に、ハンドル
(16)の近傍には、ハンドル(16)に対する操作力の方向を
転換する際に操作すべき切換えスイッチ(４)が配備さ
れ、力センサー(20)及び切換えスイッチ(４)の出力を測
定回路(３)へ供給して、ハンドル(16)に対して捩り作用
軸(17)の捩り方向へ作用する２軸方向の操作力を検出す
ることを特徴とする操作力検出装置。