JPH106274A

JPH106274A - 力覚センサ装置

Info

Publication number: JPH106274A
Application number: JP8161402A
Authority: JP
Inventors: Ryutaro Yoshino; 龍太郎吉野; Hideaki Takahashi; 秀明高橋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1998-01-13
Anticipated expiration: 2016-06-21
Also published as: US5905430A; JP3621782B2

Abstract

(57)【要約】【課題】対象物に接触するロボットハンドの指先等の接
触体の接触状態の検出を小型で安価な構成で安定して行
うことができる力覚センサ装置を提供する。【解決手段】対象物と接触する接触体７と間隙８を存し
て基体６を設けると共に間隙８に薄板バネ９を介装し、
この薄板バネ９の中央部を基体６の軸心部に挿着した支
持棒１２に固定し、薄板バネ９の周縁部を接触体７の周
縁部のフランジ１５に固定することで、接触体６を薄板
バネ９を介して基体６に揺動可能及び軸心方向に移動可
能に支持する。基体６に周方向に間隔を存して複数のギ
ャップセンサ（渦電流式センサ）２５ａ〜２５ｃを挿着
し、接触体７と対象物との接触時に接触体７の揺動及び
軸心方向への移動により生じる間隙８の距離変化を各ギ
ャップセンサ２５ａ〜２５ｃにより検出することで、接
触体７が対象物から受ける力の大きさや方向等の接触状
態を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットハンドの
指先等、なんらかの対象物に接触する接触体の接触状態
を検出するための力覚センサ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばロボットハンドにより対象物を把
持して種々の作業を行う場合には、その把持力の調整
や、対象物に対するロボットハンドの位置調整等を行う
ために、ロボットハンドの指先部と対象物との接触状態
（接触の有無や接触力等）を検出する必要を生じる場合
が多々ある。

【０００３】そして、従来、このような検出を行う力覚
センサ装置としては、対象物に接触する接触体であるロ
ボットハンドに起歪体を装着して、該起歪体に歪みゲー
ジを貼着し、この歪みゲージの出力信号に基づき、ロボ
ットハンドと対象物との接触力等を検出するようにした
ものが一般的に知られている。

【０００４】しかしながら、このように歪みゲージを用
いた従来の力覚センサ装置では、該歪みゲージが一般に
温度変化に対する特性変化を生じやすいと共にノイズ等
の影響を受けやすいため、種々様々な環境下でロボット
ハンドと対象物との接触力等を安定して検出することが
困難なものとなっていた。

【０００５】また、歪みゲージは衝撃等による断線も生
じやすいと共に、その取付け作業や取付後の出力調整作
業に熟練と時間を要し、高価なものとなりやすいという
不都合があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる背景に
鑑み、対象物に接触するロボットハンドの指先等の接触
体の接触状態の検出を小型で安価な構成で安定して行う
ことができる力覚センサ装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の力覚センサ装置
はかかる目的を達成するために、対象物と接触する接触
体の接触状態を検出する力覚センサ装置であって、基体
と、該基体と間隙を存して設けられた前記接触体と、該
接触体と前記対象物との接触時に前記間隙の距離が変化
するよう該接触体を前記基体に揺動可能又は／及び前記
間隙の距離方向に移動可能に支持せしめる復元自在な弾
性部材と、前記基体と接触体との間隙の所定部位の距離
に応じた信号を生成する少なくとも一つのギャップセン
サとから成り、該ギャップセンサの信号により検出され
る前記間隙の距離に基づき前記接触体と対象物との接触
状態を検出することを特徴とする。

【０００８】かかる本発明によれば、前記接触体と対象
物とが接触すると、該接触体が前記弾性部材の弾性変形
により前記基体に対して揺動あるいは前記基体と接触体
との間隙の距離方向に移動し、これにより該間隙の距離
が変化する。そして、この間隙の距離に応じた信号が前
記ギャップセンサにより生成される。このとき、前記間
隙の距離の変化は、対象物と接触体との接触状態に応じ
たものとなるので、前記ギャップセンサの信号によっ
て、対象物と接触体との接触状態を検出する可能とな
る。すなわち、本発明は、対象物と接触体との接触状態
が接触体と基体との間隙の距離変化という物理量に変換
し、その距離をギャップセンサにより検出することで対
象物と接触体との接触状態を検出するものである。この
場合、前記間隙の距離の検出を行うためのギャップセン
サとしては、例えば周知の渦電流式変位センサやレーザ
式変位センサ、静電容量式変位センサ等のセンサを用い
ればよく、これらのセンサは一般に小型でしかも温度変
化やノイズ等の影響を受けにくい。また、前記弾性部材
としては、単なる板バネ等を用いればよい。

【０００９】よって本発明によれば、弾性部材や、距離
測定用の渦電流式変位センサ等のギャップセンサを用い
た小型で安価な構成で接触体と対象物との接触状態を安
定して検出することができる。

【００１０】かかる本発明のより具体的な構成では、前
記弾性部材は、前記基体及び接触体の間に前記間隙の距
離方向と略直交する姿勢で介装された薄板バネから成
り、該薄板バネの略中央部及び周縁部がそれぞれ前記基
体の前記接触体に臨む面の略中央部及び前記接触体の前
記基体に臨む面の周縁部に固定され、又は、該薄板バネ
の略中央部及び周縁部がそれぞれ前記接触体の前記基体
に臨む面の略中央部及び前記基体の前記接触体に臨む面
の周縁部に固定されていることを特徴とする。

【００１１】このような構成によれば、前記接触体と対
象物との接触時に前記薄板バネが撓むことにより、前記
接触体が基体に対して揺動可能で且つ前記間隙の距離方
向に移動可能となり、単なる薄板バネを用いた極めて簡
単な構成で本発明の力覚センサ装置を構成することがで
きる。

【００１２】また、本発明では、前記弾性部材は、前記
接触体を前記基体に揺動可能及び前記間隙の距離方向に
移動可能に支持せしめると共に、前記接触部を前記間隙
の距離方向と直交する方向及び該間隙の距離方向の軸回
りの回転方向には略不動に前記基体に支持せしめるよう
にすることが好ましく、このようにした場合には、前記
ギャップセンサを、前記基体と接触体との間隙の少なく
とも三つ以上の互いに異なる部位の距離を検出すべく三
個以上備えることで、各ギャップセンサの信号により検
出される前記間隙の各部位の距離に基づき、前記接触体
と対象物との接触時に該接触体に作用する力の大きさ及
び方向を検出することができる。

【００１３】あるいは、上記のように前記弾性部材によ
って、前記接触体を前記基体に揺動可能及び前記間隙の
距離方向に移動可能に支持せしめると共に、前記接触部
を前記間隙の距離方向と直交する方向及び該間隙の距離
方向の軸回りの回転方向には略不動に前記基体に支持せ
しめるようにした場合には、前記ギャップセンサを、前
記基体と接触体との間隙の二つの互いに異なる部位の距
離を検出すべく二個備えることで、各ギャップセンサの
信号により検出される前記間隙の各部位の距離に基づ
き、前記接触体と対象物との接触時に該接触体に作用す
る力の所定方向の成分又は該力の方向を検出することも
できる。

【００１４】尚、上記のように前記弾性部材によって、
前記接触体を前記基体に揺動可能及び前記間隙の距離方
向に移動可能に支持せしめると共に、前記接触部を前記
間隙の距離方向と直交する方向及び該間隙の距離方向の
軸回りの回転方向には略不動に前記基体に支持せしめる
ためには、前述のように前記弾性部材を前記薄板バネに
より構成すればよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図１乃至図
６を参照して説明する。

【００１６】図１は本実施形態の力覚センサ装置を備え
たロボットハンドの指機構の側面図であり、この指機構
は、人体の手指と同様に、図示しないロボットハンドの
掌部（手の平部分）から延設された基節部１と、この基
節部１から第１関節２を介して屈曲自在に延設された中
節部３と、この中節部３から第２関節４を介して屈曲自
在に延設された末節部５（指先部）とからなり、このよ
うな指機構がロボットハンドの掌部から複数、延設され
ている。そして、それらの指機構の各関節２，４におけ
る屈曲動作によって、末節部５の先端部に各種対象物Ｗ
を把持するようにしている。

【００１７】本実施形態の力覚センサ装置は、それらの
各指機構の末節部５の先端部と対象物Ｗとの接触状態
（接触力の大きさ、方向を含む）を検出するために該末
節部５に備えたものであり、次のような構造を具備して
いる。

【００１８】すなわち、図２を参照して、本実施形態の
力覚センサ装置は、末節部５の基端側の部分（前記中節
部３寄りの部分）を構成する基体６と、対象物Ｗと接触
する末節部５の先端側の部分を構成する接触体７とをそ
れらの間に間隙８を存して備え、該間隙８の箇所に、接
触体７を基体６に支持せしめる弾性部材である薄板バネ
９が介装されている。

【００１９】基体６は、大略円柱形状のもので、その後
部（図２の右側の部分）の内部には、中空部１０が形成
されている。基体６の軸心部には、該基体６の接触体７
側の先端面から中空部１０にかけて貫通孔１１が穿設さ
れ、この貫通孔１１に、支持棒１２がその先端部を接触
体７側に突出させて挿着・固定されている。この支持棒
１２の先端部には、該支持棒１２の貫通孔１１内に挿入
された本体部１２ａよりも小径なねじ部１２ｂが本体部
１２ａと同心に形成されている。

【００２０】接触体７は、その芯部を構成する大略有底
筒状の芯材１３と、接触体７の外面部を形成するゴム等
の樹脂材からなる弾性体１４とにより構成されている。

【００２１】芯材１３は、その開口端部を基体６に向け
て該基体６と同心に配置され、該開口端部には、環状フ
ランジ１５が形成されている。また、芯材１３の先端部
（底部）の外面は、球面状に形成されている。

【００２２】弾性体１４は、芯材１３の環状フランジ１
５を除く外面部全体を被覆するようにして該芯材１３の
外面部に固着されており、その先端部は、芯材１３の先
端部の形状に対応して球面状に形成されている。

【００２３】薄板バネ９は、図４に示すように円板状に
形成された金属製のもので、その肉厚は例えば０．２〜
２ｍｍ程度のものである。

【００２４】この薄板バネ９の中心部には、該中心部を
前記支持棒１２のねじ部１２ｂに取り付けるためのねじ
穴１６が穿設され、また、周縁部には、それを前記芯材
１３の環状フランジ１５にねじ締めするための複数（本
実施形態では３個）のねじ穴１７が穿設されている。さ
らに、該薄板バネ９には、その弾性変形（撓み）を容易
なものとするために複数条の溝１８が形成されている。
尚、これらの溝１８は、薄板バネ９の肉厚が薄ければ、
必ずしも設ける必要はない。

【００２５】かかる薄板バネ９は、図２に示すように、
その中心部を一対のワッシャ１９，１９間に挟持するよ
うにして該ワッシャ１９，１９と共に前記ねじ穴１６
（図４参照）を介して支持棒１２のねじ部１２ｂに外挿
され、この状態で、支持棒１２のねじ部１２ｂにその先
端側から該支持棒１２の本体部１２ａに向かってナット
１９ａを螺着することで、該薄板バネ９の中心部が支持
棒１２を介して基体６に固定されている。尚、ワッシャ
１９，１９の外周面は、それぞれ、薄板バネ９に接触し
ない端面側から薄板バネ９に接触する端面側に向かって
縮径されてテーパ面を成しており、これにより、薄板バ
ネ９の弾性変形時に、ワッシャ１９，１９との接触箇所
で応力が集中して該薄板バネ９が破損してしまうのを防
止するようにしている。

【００２６】また、この薄板バネ９は、その周縁部を前
記接触体７の芯材１３の環状フランジ１５及びこれと略
同径のワッシャ２０の間に挟持し、さらに該ワッシャ２
０の後端面（薄板バネ９と接触しない端面）にそれと略
同径の環状導体板２１を重合させた状態で、該導体板２
１側から芯材１３の環状フランジ１５に向かって薄板バ
ネ９の前記ねじ穴１７を介してねじ２２を螺着すること
で、該薄板バネ９の周縁部がワッシャ２０及び導体板２
１と共に接触体７の芯材１３に固定されている。尚、環
状フランジ１５の内周面及びワッシャ２０の内周面は、
前記ワッシャ１９，１９との同様に、薄板バネ９との接
触箇所に応力集中が生じるのを防止するためにテーパ面
をなしている。

【００２７】以上のような基体６、接触体７及び薄板バ
ネ９の構造により、接触体７が前記環状導体板２１を含
めて基体６の先端面との間に間隙８を存しつつ薄板バネ
９を介して基体６に支持されている。そして、薄板バネ
９の弾性変形（撓み）によって、接触体７は、支持棒１
２に固定された薄板バネ９の中心部を支点として揺動可
能とされると共に、軸心方向（間隙８の距離方向）に移
動可能とされている。この場合、薄板バネ９は、接触体
７が基体６に対してそれらの軸心と直交する方向にスラ
イドする方向や、接触体７が基体６に対してそれらの軸
心回りに回転する方向に対しては、高剛性なもので、そ
れらの方向へは接触体７は略不動なものとされている。
また、接触体７と対象物Ｗとの接触時の接触体７の揺動
量は接触体７等のサイズに比して十分に小さなものとな
るようになっている。

【００２８】尚、接触体７の外表面には、その全面を被
覆するゴムや皮革等からなる可撓性の表皮体２３が固着
されており、この表皮体２３の基体６側の端部は、前記
間隙８の箇所から基体６の外周面まで覆うように延設さ
れ、これにより間隙８に塵等が侵入するのを防止してい
る。

【００２９】一方、前記基体６には、図２及び図３に示
すように前記接触体７に固定された環状導体板２１に対
向する箇所で、前記貫通孔１１の周囲に周方向に等間隔
（１２０°間隔）で、例えば３個のセンサ挿着孔２４
ａ，２４ｂ，２４ｃが基体６の先端面から中空部１０に
向かって貫通孔１１と平行に穿設され、これらの各セン
サ挿着孔２４ａ〜２４ｃにそれらの箇所で基体６と接触
体７との間の間隙８の距離を検出するためのギャップセ
ンサ２５ａ，２５ｂ，２５ｃが挿着・固定されている。
この場合、各ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃは、前記薄
板バネ９及び環状導体板２１を接触体７に固定するねじ
２２の箇所に対して、図４に示すように周方向に位相を
ずらして配置されるようになっている。

【００３０】各ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃは、例え
ば公知の渦電流式のもので、環状導体板２１の各ギャッ
プセンサ２５ａ〜２５ｃに対向する箇所に渦電流を生ぜ
しめつつ、各ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃの先端面と
環状導体板２１との距離に応じた信号を各ギャップセン
サ２５ａ〜２５ｃの箇所における前記間隙８の距離を示
す信号として生成する。

【００３１】この場合、各ギャップセンサ２５ａ〜２５
ｃの後端部は、その一部が前記中空部１０内に露出する
ようになっており、その部分から生成した信号を出力す
るためのリード線２６が中空部１０内に導出されてい
る。そして、中空部１０には、基体６の外部に通じる導
出穴２７が穿設されており、それらのリード線２６が導
出穴２７を介して基体６の外部に導かれている。

【００３２】図５を参照して、本実施形態の力覚センサ
装置では、上記ようにしてロボットハンドの各指機構毎
に、基体６の外部に導出された各ギャップセンサ２５ａ
〜２５ｃのリード線２６は、図５に示すように各指機構
の外部において、各ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃに対
応するアンプ２８ａ〜２８ｃに接続され、それらのアン
プ２８ａ〜２８ｃの出力側がマイクロコンピュータ２９
（以下、マイコン２９という）に接続されている。

【００３３】このマイコン２９は、本発明の構成に対応
して、力検出手段を構成するもので、各ギャップセンサ
２５ａ〜２５ｃの信号をそれぞれアンプ２８ａ〜２８ｃ
で増幅してなる信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器３０
と、このＡ／Ｄ変換器２９を含めてバスライン３１を介
して相互に接続されたＣＰＵ３２、ＲＡＭ３３及びＲＯ
Ｍ３４とから成り、ＣＰＵ３２により、Ａ／Ｄ変換器３
０を介して与えられる各ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃ
の信号データに基づき、ＲＡＭ３３やＲＯＭ３４に格納
された所定の演算式やプログラム等に従って、後述する
ように各指機構毎にその末節部５の接触体７と対象物Ｗ
との接触時に該接触体７に作用する力の大きさ及び方向
を求めるようにしている。

【００３４】次に、本実施形態の作動を説明する。

【００３５】本実施形態のロボットハンドの指機構の末
節部５の先端部（接触体７）で対象物Ｗを把持すると、
末節部５の接触体７がその側方の対象物Ｗから力を受け
る。このとき、該接触体７は薄板バネ８の弾性変形（撓
み）によって、基体６に対して薄板バネ８の中心部を支
点として揺動したり、軸心方向に移動する。このため、
基体６と接触体７との間の間隙７の距離が、対象物Ｗか
ら接触体７の受ける力の大きさや方向に応じて、環状導
体板２１の箇所で部分的に伸縮する。そして、このよう
に変化する基体６と接触体７との間の間隙７の各ギャッ
プセンサ２５ａ〜２５ｃの箇所における距離に応じた信
号（各ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃと導体板２１との
間隔を示す信号）が各ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃに
よりそれぞれ生成され、それがそれぞれアンプ２８ａ〜
２８ｃにより増幅された後、マイコン２９に取り込まれ
る。さらにマイコン２９に取り込まれた各ギャップセン
サ２５ａ〜２５ｃの信号はＡ／Ｄ変換器３０によりＡ／
Ｄ変換された後、バスライン３１を介してＣＰＵ３２に
与えられる。

【００３６】このとき、ＣＰＵ３２は、各ギャップセン
サ２５ａ〜２５ｃの信号データに基づき、各ギャップセ
ンサ２５ａ〜２５ｃの箇所における前記間隙８の距離を
把握して、それを用いて以下のようにして、接触体７が
対象物Ｗから受ける力の大きさと方向を演算により求め
る。

【００３７】この演算処理を図６（ａ），（ｂ）を参照
して説明する。尚、図６（ａ），（ｂ）では、説明の便
宜上、接触体７や基体６等を模式化して示している。

【００３８】まず、図６（ａ）を参照して、接触体７が
対象物Ｗから受ける作用力をＦ、その作用力Ｆの、接触
体７の軸心方向（Ｚ軸方向）の成分（以下、軸方向成分
という）をＦｚ、接触体７の径方向（軸心と直交する方
向）の成分（以下、径方向成分という）をＦｒとする。
また、接触体７の基体６側の端面から作用力Ｆの作用点
Ｐ（対象物Ｗとの接触点）までの距離をｈ、作用点Ｐと
接触体７の軸心との距離（接触体７の半径）をｒとし、
さらに、各ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃの箇所におけ
る接触体７及び基体６間の間隙８の距離をそれぞれ
ｅ₁、ｅ₂、ｅ₃とし、それらの距離ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃
の定常状態（接触体７に対象物Ａが接触していない状
態）からの変化分をΔｅ₁、Δｅ₂、Δｅ₃とする。
尚、上記定常状態ではｅ₁＝ｅ₂＝ｅ₃である。

【００３９】また、図６（ｂ）を参照して、各ギャップ
センサ２５ａ〜２５ｃのうち、例えばギャップセンサ２
５ａがＸ軸上に存するようにしてＸ−Ｙ座標軸をとり、
他のギャップセンサ２５ｂ，２５ｃがＸ軸となす角度を
α（本実施形態では６０°）、前記作用力Ｆの径方向成
分ＦｒがＸ軸となす角度をθとする。

【００４０】このとき、前記接触体７が受ける作用力に
よる前記間隙の距離ｅ₁，ｅ₂，ｅ ₃の変化分Δｅ₁、
Δｅ₂、Δｅ₃（これは、各ギャップセンサ２５ａ〜２
５ｃの信号データによって検出される）は、接触体７の
揺動量が十分に小さいことを考慮して、次式（１）〜
（３）により表される。

【００４１】

【数１】

【００４２】上式（１）〜（３）において、Ｍθは作用
力Ｆによる接触体７の揺動支点（薄板バネ９の中心部。
図６（ａ）の参照符号Ｏで示す）の回りのモーメント
（＝Ｆｒ・ｈ−Ｆｚ・ｒ）、Ｋｚは薄板バネ９の軸心方
向のバネ定数、Ｋθは接触体７の揺動支点Ｏの回りの揺
動方向における薄板バネ９のバネ定数である。

【００４３】この場合、α＝６０°であるので、上式
（１）〜（３）は、さらに次式（４）〜（６）により表
される。

【００４４】

【数２】

【００４５】そして、これらの式（４）〜（６）の両辺
をそれぞれ加算すると、Ｍθが消去され、それから次式
（７）が得られる。

【００４６】

【数３】

【００４７】従って、この式（７）を用いることで、各
ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃの信号データによって検
出される前記間隙の距離ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃の変化分Δｅ
₁、Δｅ₂、Δｅ₃から前記作用力Ｆの軸方向成分Ｆｚ
を求めることができる。

【００４８】また、前記式（５），（７）の両辺をそれ
ぞれ減算すると、次式（８）が得られる。

【００４９】

【数４】

【００５０】さらに、前記式（４）に式（７）を代入し
て整理すると、次式（９）が得られる。

【００５１】

【数５】

【００５２】ここで、式（８）の両辺をそれぞれ式
（９）の両辺で除算することで、次式（１０）が得られ
る。

【００５３】

【数６】

【００５４】よって、この式（１０）を用いることで、
各ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃの信号データによって
検出される前記間隙の距離ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃の変化分Δ
ｅ₁、Δｅ₂、Δｅ₃から前記作用力Ｆの方向を示す角
度θ（図６（ｂ）参照）を求めることができる。

【００５５】一方、前記（９）式において、Ｍθ＝Ｆｒ
・ｈ−Ｆｚ・ｒであるから、これを（９）式に代入して
整理すると、次式（１１）が得られる。

【００５６】

【数７】

【００５７】よって、この式（１１）を用いることで、
各ギャップセンサ２５ａ〜２５ｃの信号データによって
検出される前記間隙の距離ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃の変化分Δ
ｅ₁、Δｅ₂、Δｅ₃から前記作用力Ｆの径方向成分Ｆ
ｒを求めることができる。

【００５８】前記マイコン２９のＣＰＵ３２は、各ギャ
ップセンサ２５ａ〜２５ｃの信号データによって検出さ
れる前記間隙の距離ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃の変化分Δｅ₁、
Δｅ ₂、Δｅ₃から、前記式（７）、（１０）、（１
１）の演算を行うことで、接触体７と対象物Ｗとの接触
時に接触体７が受ける作用力Ｆの各成分Ｆｚ，Ｆｒの大
きさ、及び該作用力Ｆの方向を示す角度θを求める。そ
して、このようにして求められた作用力Ｆの各成分Ｆ
ｚ，Ｆｒの大きさ、及び該作用力Ｆの方向を示す角度θ
を、ロボットハンドによる対象物Ｗの把持力や把持位置
を調整するために使用する。尚、式（７）、（１０）、
（１１）の演算を行うための定数Ｋｚ、Ｋθ、ｒ、ｈは
あらかじめマイコン２９のＲＡＭ３３やＲＯＭ３４にあ
らかじめ記憶保持されている。

【００５９】このように、本実施形態の装置によれば、
ロボットハンドの各指機構における接触体６と対象物Ｗ
との接触状態を示す作用力Ｆの大きさや方向を、薄板バ
ネ９や渦電流式のギャップセンサ２５ａ〜２５ｃを用い
た簡単で安価な構成で容易に検出することができる。そ
して、本実施形態でギャップセンサ２５ａ〜２５ｃとし
て使用した渦電流式のセンサは、温度変化やノイズ等の
影響を受けにいので、接触体６と対象物Ｗとの接触状態
を示す作用力Ｆの大きさや方向を安定して検出すること
ができ、ひいては、ロボットハンドによる対象物Ｗの把
持を安定して行うことができる。

【００６０】尚、本実施形態では、薄板バネ９の中心部
を基体６側に固定し、薄板バネ９の周縁部を接触体７側
に固定するようにしたが、これと逆に、薄板バネ９の中
心部を接触体７側に固定し、薄板バネ９の周縁部を基体
６側に固定するようにしてもよい。

【００６１】ところで、本実施形態では、３個のギャッ
プセンサ２５ａ〜２５ｃを用いて接触体６と対象物Ｗと
の接触状態を示す作用力Ｆの大きさ及び方向を検出する
ようにしたが、例えば２個のギャップセンサを用いて、
作用力Ｆの特定方向に成分のみや、作用力Ｆの方向のみ
を検出するようにすることも可能である。

【００６２】この場合には、例えば図７に示すように基
体６に二つのギャップセンサ２５ａ，２５ｂを周方向に
１８０°の間隔を存して挿着・固定し、他の構成（接触
体６や薄板バネ９等の構造）は、図２のものと同一とす
る。このようにした場合には、各ギャップセンサ２５
ａ，２５ｂの信号データによって検出される基体６と前
記接触体７との間の間隙８の、各ギャップセンサ２５
ａ，２５ｂの箇所における距離ｅ₁，ｅ₂の定常状態
（ｅ₁＝ｅ₂の状態）からの変化分Δｅ₁、Δｅ₂は、
前記式（１）、（２）でα＝０とすることで、次式（１
２），（１３）により表される。

【００６３】

【数８】

【００６４】そして、これらの式（１２），（１３）の
両辺をそれぞれ加算して整理することで、次式（１４）
が得られる。

【００６５】

【数９】

【００６６】よって、この式（１４）を用いることで、
各ギャップセンサ２５ａ，２５ｂの信号データによって
検出される間隙８の距離ｅ₁，ｅ₂の変化分Δｅ₁、Δ
ｅ₂から、作用力Ｆの軸方向成分Ｆｚを求めることがで
きる。

【００６７】あるいは、例えば図８に示すように前記基
体６に二つのギャップセンサ２５ａ，２５ｂを周方向に
９０°の間隔を存して挿着・固定し、他の構成（接触体
６や薄板バネ９等の構造）は、図２のものと同一とす
る。このようにした場合には、各ギャップセンサ２５
ａ，２５ｂの信号データによって検出される基体６と前
記接触体７との間の間隙８の、各ギャップセンサ２５
ａ，２５ｂの箇所における距離ｅ₁，ｅ₂の定常状態
（ｅ₁＝ｅ₂の状態）からの変化分Δｅ₁、Δｅ₂は、
前記式（１）、（２）でα＝９０°とすることで、次式
（１５），（１６）により表される。

【００６８】

【数１０】

【００６９】ここで、作用力Ｆが常に接触体６の径方向
のみに作用する場合、すなわち、Ｆｚ＝０の場合には、
上式（１５），（１６）においてＦｚ＝０として、式
（１６）の両辺をそれぞれ式（１５）の両辺で除算する
と、次式（１７）が得られる。

【００７０】

【数１１】

【００７１】従って、接触体６に対象物Ｗが該接触体６
の径方向から接触するような場合には、上式（１７）を
用いることで、各ギャップセンサ２５ａ，２５ｂの信号
データによって検出される間隙８の距離ｅ₁，ｅ₂の変
化分Δｅ₁、Δｅ₂から、作用力Ｆの方向を求めること
ができる。

【００７２】以上説明した実施形態では、接触体６と対
象物Ｗとの接触時に接触体６に作用する力の大きさや方
向を求めるようにしたが、単に接触体と対象物との接触
の有無を検出する場合には、ギャップセンサの個数を一
つとしてもよい。

【００７３】具体的には、図９を参照して、前述のロボ
ットハンドの指機構と同様に、基節部３５、中節部３６
及び末節部３７を順に第１関節３８及び第２関節３９を
介して連結してなる指機構において、前述の実施形態と
同様に、末節部３７を中節部３６側の基体４０と、対象
物Ｗと接触する先端側の接触体４１とによりそれらの間
に間隙４２を存して構成する。そして、これらの基体４
０及び接触体４１をそれらの軸心方向と平行な姿勢で間
隙４２に介装された例えば方形状の薄板バネ４３により
連結し、また、基体４０の例えば軸心部に、接触体４１
の基体４０側の端面に対向させて前記ギャップセンサ２
５ａ〜２５ｃと同様のギャップセンサ４４を装着する。

【００７４】このような構造の指機構にあっては、対象
物Ｗが接触体４１に図示のように接触すると、該接触体
４１が薄板バネ４３の撓みによって、図中矢印ｘで示す
ように揺動し、ギャップセンサ４４の箇所の間隙４２の
距離が変化する。従って、この距離の変化をギャップセ
ンサ４４で検出することで、接触体４１への対象物Ｗの
接触の有無を検出することができる。

【００７５】尚、以上説明した各実施形態では、ギャッ
プセンサとして渦電流式のセンサを使用したものを示し
たが、公知のレーザ式のギャップセンサを使用してもよ
い。この場合には、前述の渦電流式のギャップセンサ２
５ａ〜２５ｃと同様に、基体にレーザ式のギャップセン
サを装着し、そのセンサにより接触体の基体側の端面に
向かってレーザ光を投光することで各センサの箇所にお
ける接触体と基体との間の間隙の距離を検出することが
できる。

【００７６】あるいは、ギャップセンサとして静電容量
式のセンサを使用してもよく、この場合には、前述の渦
電流式のギャップセンサ２５ａ〜２５ｃと同様に、基体
に静電容量式のギャップセンサを装着し、このセンサの
箇所における接触体及び基体間の静電容量を検出するこ
とで、接触体と基体との間の間隙の距離を検出すること
ができる。

【００７７】あるいは、接触体と基体との間の間隙に空
気流を生ぜしめ、接触体が基体に対して揺動あるいは軸
心方向に移動したときに生じる空気圧の圧力変化を検出
することで、接触体と基体との間の間隙の変化を検出す
るようにることも可能である。

【００７８】また、前記各実施形態では、ロボットハン
ドの指機構に備えた力覚センサ装置を例にとって説明し
たが、本発明はこれに限らず、種々の接触体と対象物と
の接触状態を検出する場合に適用することができること
はもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の力覚センサ装置を備えた
ロボットハンドの指機構の側面図。

【図２】図１の指機構の力覚センサ装置の要部の縦断面
図。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。

【図４】図１の指機構の力覚センサ装置に用いる薄板バ
ネの平面図。

【図５】図１の指機構の力覚センサ装置のシステム構成
図。

【図６】図１の指機構の力覚センサ装置の作動を説明す
るための説明図。

【図７】図１の指機構の力覚センサ装置で二個のギャッ
プセンサを備えた場合の実施形態を示す断面図。

【図８】図１の指機構の力覚センサ装置で二個のギャッ
プセンサを備えた場合の他の実施形態を示す断面図。

【図９】一個のギャップセンサを使用した本発明の力覚
センサ装置の実施形態におけるロボットハンドの指機構
を示す模式的側面図。

【符号の説明】

６，４０…基体、７，４１…接触体、８，４２…間隙、
９，４３…薄板バネ（弾性部材）、２５ａ〜２５ｃ，４
４…ギャップセンサ、２９…マイクロコンピュータ（力
検出手段）、Ｗ…対象物。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物と接触する接触体の接触状態を検出
する力覚センサ装置であって、基体と、該基体と間隙を
存して設けられた前記接触体と、該接触体と前記対象物
との接触時に前記間隙の距離が変化するよう該接触体を
前記基体に揺動可能又は／及び前記間隙の距離方向に移
動可能に支持せしめる復元自在な弾性部材と、前記基体
と接触体との間隙の所定部位の距離に応じた信号を生成
するギャップセンサとから成り、該ギャップセンサの信
号により検出される前記間隙の距離に基づき前記接触体
と対象物との接触状態を検出することを特徴とする力覚
センサ装置。
【請求項２】前記弾性部材は、前記基体及び接触体の間
に前記間隙の距離方向と略直交する姿勢で介装された薄
板バネから成り、該薄板バネの略中央部及び周縁部がそ
れぞれ前記基体の前記接触体に臨む面の略中央部及び前
記接触体の前記基体に臨む面の周縁部に固定され、又
は、該薄板バネの略中央部及び周縁部がそれぞれ前記接
触体の前記基体に臨む面の略中央部及び前記基体の前記
接触体に臨む面の周縁部に固定されていることを特徴と
する請求項１記載の力覚センサ装置。
【請求項３】前記弾性部材は、前記接触体を前記基体に
揺動可能及び前記間隙の距離方向に移動可能に支持せし
めると共に、前記接触体を前記間隙の距離方向と直交す
る方向及び該間隙の距離方向の軸回りの回転方向には略
不動に前記基体に支持せしめ、前記ギャップセンサは、前記基体と接触体との間隙の少
なくとも三つ以上の互いに異なる部位の距離を検出すべ
く三個以上備えられ、各ギャップセンサの信号により検出される前記間隙の各
部位の距離に基づき、前記接触体と対象物との接触時に
該接触体に作用する力の大きさ及び方向を検出する力検
出手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の
力覚センサ装置。
【請求項４】前記弾性部材は、前記接触体を前記基体に
揺動可能及び前記間隙の距離方向に移動可能に支持せし
めると共に、前記接触体を前記間隙の距離方向と直交す
る方向及び該間隙の距離方向の軸回りの回転方向には略
不動に前記基体に支持せしめ、前記ギャップセンサ
は、前記基体と接触体との間隙の二つの互いに異なる部
位の距離を検出すべく二個備えられ、各ギャップセンサの信号により検出される前記間隙の各
部位の距離に基づき、前記接触体と対象物との接触時に
該接触体に作用する力の所定方向の成分又は該力の方向
を検出する力検出手段を備えたことを特徴とする請求項
１又は２記載の力覚センサ装置。
【請求項５】前記ギャップセンサは、渦電流式変位セン
サ又はレーザ式変位センサ又は静電容量式変位センサか
ら成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記
載の力覚センサ装置。