JPS5810495A - 触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、例えば産業用ロボットにおいて用いる力の
方向及び大きさを検出する触覚センサに関するものであ
る。

近年、特に製造加工業の分野においては、溶接。

機械加工、組立等の作業を自動化して省力化を図るため
に各種の産業用ロボットの開発が盛んである。

この産業用ロボットとしては、例えば人間の上肢の動作
機能に類似した動作機能や認識機能及び感覚機能等を有
して、自律的に行動し得る知能（インテリジェント）ロ
ボットが主流になってきている。

このような知能ロボットは、例えば握る。掴む。

挾む、押す、触れるなどの機能を有する人間の手に相当
するメカニカルハンドを備え、このメカニカルハンドに
よって各種の作業を行なう。

ところで、このようなロボットによって部品の嵌め合い
作業、例えば四角柱状の軸部品を四角筒状の穴に嵌め込
む作業を行なう場合、嵌め込みの途中で軸部品が傾くと
、軸部品と穴との間にこじれが生じてそれ以上押し込む
こ、とが出来なくなる。

この場合、軸部品が嵌毎込み方向に対してどの方向に傾
いているかを検出できれば、軸部品を傾きをなくす方向
に動かして押し込むことが可能になる。

この発明は上記の嵩に鑑みてなされたものであシ、例え
ば上述のように部品の嵌め合い作業時に部品がこじれた
場合に、メカニカルハンドに作用する力の方向及び大き
さを検出できるようにすることを目的とする。

そのため、力が作用する受力部材を球関節継手によって
固定基台上に旋回可能に支持すると共に、前記球関節継
手の軸心の周囲に、受力部材に力が作用したことを検知
する複数の力検知素子を配置し、この複数の力検知素子
の検知信号に基づいて力の方向及び大きさを検出するよ
うにした触覚センサを提供するものである。

以下、この発明の実施例を添付図面を参照して説明する
。

第１図、第２図及び第６図は、この発明の第１実施例を
示す要部断面構成図、平面図及びその力検出器の平面図
である。

これ等の図において、力が作用する円盤状の受力部材１
をこの受力部材１の下面に形成した球面１ａとこの球面
１ａに嵌入した球部２ａを有する固定基台６に固着した
軸２とからなる球関節継手によって、固定基台６上に旋
回可能に支持しである。

そして、受力部材１の上面には、先端部４ａに対して力
が作用する図示のようなＬ字形部材４を、球関節継手の
軸心である軸２の軸心に対して力の作用点がずれるよう
に固着しである。

また、受力部材１と固定基台３との間には、リング状の
弾性体５を介挿すると共に、第３図にも示すように、加
圧力に応じて抵抗値が変化するリング状の感圧導電ゴム
６ａの下面にリング状の共通電極６ｂを、その上面にｎ
個の検知電極６Ｃｎ（ｎ＝１．２・・・・・・ｎ）を配
して構゛成した力検知器６を、絶縁被膜を介【２てプリ
ロードを付与して介挿しである。

すなわち、感圧導電ゴム６ａと共通電極６ｂと１つの検
知電極６ｃｎ　（ｎ＝　１　、２・”＝ｎ　）とによっ
て、受力部材１に力が作用したことを検知する力検知素
子を構成し、検知電極６Ｃｎをｎ個配することによって
、軸２の細心の周囲にｎ個の力検知累子を配置したもの
である。

そして、図示しないが、力検知器６の共通電極６ｂをア
ースする一方、ｎ個の検知電極６ｃｌ〜６ｃｎを夫々電
源に接続して、加圧力に応じて変化する共通電極６ｂと
検知電極６ｃｌ〜６ｃｎ間の各電圧を、スレッショルド
レベルを設定【７て２値化して、検知信号Ｖｓｌ−Ｖｓ
ｎとして出力するようにしている。

極６ｃ１〜６ｃｎ間の電圧も加圧力が大きくなる程小さ
くなる。

そこで、加圧力が設定値（スレッショルドレベルによっ
て決まる）以下の感圧導電ゴム６ａの部分の検知電極６
ｃｎ（ｎ＝１，２・・・・・・ｎ）に対応する検知信号
Ｖｓｎ　（ｎ　＝　１　、２・・・・・・ｎ）はローレ
ベル″′Ｌ“にな９、また加圧力が設定値を越えた感圧
導電ゴム６ａの部分の検知電極６ｃｎに対応する検知信
号Ｖｓｎはハイレベル“Ｈ“になるようにしである。

次に、このように構成した触覚センサによる作用力の方
向及び大きさの検出について説明する。

なお、力検知器６の検知電極６Ｃｎを、即ち力検知素子
を軸２の軸心周囲にｌＯ°間隔で３５個配置した例（ｎ
＝１．２・・・・・・３５）について述べる。

まず、第１図及び第２図に示すように、Ｌ字形部材４の
先端部４ａに矢示方向の力Ｆ１が作用したとすると、こ
の力Ｆ１の作用点は軸２０球部２ａに対してずれている
ので、受力部材１には旋回力が加わる。

したがって、受力部材１は軸２の球部２ａを支点として
、弾性体５の復元力に抗しながら旋回変位し、力検知器
６の感圧導電ゴム６ａを加圧する。

それによって、感圧導電ゴム６ａの受力部材１によって
加圧された部分の抵抗値が小さくなり、例えば検知電極
６Ｃ２６〜６Ｃ３０の部分の加圧力が設定値を越えたと
すると、第４図に示すように検知信号Ｖｓ２６〜Ｖｓ３
（１がゝＨ“にな９、それ以外の検知信号Ｖｓｌ−Ｖｓ
２ｓ及びＶｓ３１〜Ｖｓａｇ　ハＸＸＬ”　（Ｄｉまで
ある。

このとき、力の方向は、検知信号Ｖｓｎが“Ｈ“になっ
た検知電極６Ｃｎの中央位置にあるので、”Ｈ“の検知
信号Ｖｓｎの中央位置を求めることによって力の方向を
検出できる。

例えば、第６図及び第４図に示すように、検知電極６ｃ
ｌ〜６ｃ３５を１０度毎に０〜３６０度に対応させた場
合、力Ｆ１は２７０度の方向に作用したことが分る。

また、先端部４ａに作用する力の大きさは、受力部材１
に作用する旋回力の大きさに対応し、力が大きくなる程
旋回力も大きくなって、受力部材１の変位量が大きくな
るので、加圧力が設定値を越える感圧導電ゴム６ａの鎖
酸が広くなり、検知信号Ｖｓｎが“Ｈ”になる検知電極
６ｃｎの数が多くなる。

したがって、′Ｈ“になった検知信号Ｖｓｎの数をカウ
ントすることによって力の大きさを検出できる。　ただ
し、この場合、力の大きさの絶対値を検出できず、力が
段階的に一定の範囲内の大きさであることを検出できる
だけである。

ところで、例えば第１図に示すように、同一平面上にお
いて力Ｆ１がＦ１’の方向に変った場合、受力部材１の
旋回方向は同一になるので、”Ｈ“になった検知信号Ｖ
Ｓｎの中心位置を求めただけでは、力Ｆ１とＦ１′を区
別できない。

しかし、力Ｆ１′が作用したときには、力Ｆｌが作用し
たときよシも旋回力が小さくなるので、ゝゝＨ“になっ
た検知信号ＶｓｎＯ数をカウントすることによって、力
Ｆ１とＦｌ’とを区別出来る場合もある。

次に、第１図に示すようにＬ字形部材４の先端部４ａに
矢示方向の力Ｆ２が作用したとすると、この力Ｆ２の作
用点は軸２の軸心に対してずれているので、受力部材１
には旋回力が加わる。

したがって、前述したように、′Ｈ“になった検知信号
Ｖｓｎの中心位置を求めることによって力Ｆ２の方向を
、またゝゝＨ“になった検知信号Ｖｓｎの数をカウント
することによって力Ｆ２の大きさを夫々検出できる。

このように、球関節継手の細心である軸２の軸心の周り
に配置Ｅ７たｎ個の力検知素子を一体的に構成した力検
知器６の各検知信号Ｖｓｎ　（ｎ　＝　１　、２・・・
・・・ｎ）に基づいて力の方向及び大きさを検出できる
。

第５図は、この発明の第２実施例を示す第１図と同様な
要部断面構成図である。

この実施例においては、受力部材１１を第１図のＬ字形
部材４を一体成形したと略同様な形状にし、また球関節
継手を構成する球部２ａを有する軸２を受力部材１１の
下面に固着し、その軸２の球部２ａｋ固定基台１３に形
成した球面１３ａに嵌入【７ている。

そして、発光素子８から軸２の軸心に浴って射出した光
を、第６図に示すようにｎ個の受光素子９ａｎ（ｎ＝１
．２・・・・・・ｎ）からなる光センサ９の透孔９ｂ’
に介して、軸２の球部２ａの頂部に固着Ｌ７たミラー１
０に入射して、光センサ９上に反射させるようにしてい
る。

すなわち、発光素子８とミラー１０と光センサ９の１つ
の受光素子９ａｎ（ｎ＝１．２・・・・・・ｎ）によっ
て、受力部材１１に力が作用したことを検知する力検知
素子を構成し、ｎ個の受光素子９ａｎを一体成形した光
センサ９の中心を軸２の軸心に合わせることによって、
複数の力検知素子を軸２の軸心の周囲に配置した構成に
［７ている。

なお、光センサ９と［７ては、例えばフォトダイオード
アレイ、ＣＣＤイメージセンサ等を用いる。

このように触覚センサを構成［７たので、受力部材１１
が力Ｆｌ又はＦ２ｅ受けて旋回モーメントが作用するこ
とによって、力Ｆ１又はＦ２の方向及び大きさに応じて
受力部材１１が旋回し、その旋回に同動してミラー１０
が旋回する。

したがって、ミラー１０による発光素子８からの射出光
の反射方向が変化し、光センサ９上での輝点が移動する
、すなわち射出光が入射される受光素子９ａｎ（ｎ＝１
．２・・・・・・ｎ）が変わる。

このとき、光センサ９上での輝点の軸２の軸心からの移
動方向は力Ｆｌ又はＦ２の方向に対応し、また輝点の軸
２の軸心からの移動量は力Ｆ１又はＦ２の大きさに対応
する。

したがって、光センサ９の各受光素子９ａｎ（ｎ＝１．
２・・・・・・ｎ）の出力である検知信号を読み出し、
発光素子８からの射出光が入射された受光素子９ａｎを
検索することによって、カＦ１又はＦ２の方向及び大き
さを検出できる。

第７図は、この発明の第３実施例を示す第５図と同様な
要部断面構成図である。

この実施例は、発光素子８がらの射出光のミラー１０へ
の入射及びミラー１ｏからの反射光の光センサ９への入
射を、光センサ９の各受光素子９ａｎに対応する複数本
のオプティカルファイバ１４を介して行なうようにした
ものである。

これは、オプティカルファイバを用いること匹よって、
軸２の軸心を曲げている点において第２実施例と相違す
るが、その他の構成及び作用は、第２実施例と同様であ
るので、その説明は省略する。

第８図は、この発明の第４実施例を示す第５図と同様な
断面構成図である。

この実施例は、受力部材１１に固着した球関節継手を構
成する軸２の軸心に沿って透孔２ｂを穿設し、その透孔
２ｂの受力部材１１側開口に発光素子８を設けて、発光
素子８からの射出光を透孔２ｂを介して直接光センサ９
に入射するようにしたものである。

これは、光センサ９の第５図に示す透孔９ｂ及びミラー
１０が不要になる点において第２実施例と相違するが、
その他の構成及び作用は第２実施例と同様であるので、
その説明は省略する。

第９図及び第１０図は、この発明の第５実施例を示す第
１図と略同様な断面構成図である。

この実施例は、球関節継手の細心である軸２の軸心の周
囲に、受力部材１に力が作用したことを検知する３つの
力検知素子であるロードセル１５゜１６、−１７を、等
角度で配置したものである。

このように構成すれば、受力部材１に対する力の作用点
に応じてロードセル１５，１６．１７の出力である検知
信号が変化するので、その３つの検知信号によって力の
方向及び大きさを検知できる。

第１１図は、この発明の第６実施例を示す要部断面構成
図である。

この実施例は、受力部材２１を軸２２の球部２２ａを固
定基台２６の球面２３ａに嵌入してなる球関節継手によ
って、固定基台２６に旋回可能に支持Ｌ７、図示のよう
に軸２２と固定基台２６との間に弾性体２５を介挿した
ものである。

なお、光センサ９の構成及びその他の作用は、第７図の
第３実施例と略同様であるのでその説明は省略する。　
また、第１１図中、２６はファイバ支持体である。

次に、この発明による触覚センサを備えたメカニカルハ
ンドについて、第１２図以降を参照（７て説明する。

第１２図及び第１６図は、この発明による触覚センサを
備えたメカニカルノ・ンドの平面図及び右側面図である
。

このメカニカルハンドは、図示しない駆動モータ、歯車
機構等を内蔵した）・ンド本体６１と、２つの平行リン
ク機構３２．３３と、この発明による触覚センサ３４　
、３５　、及び爪部３６，３７を固着したフィンガ！１
８．３９とによって構成しである。

平行リンク機構６２及び３６は、夫々ノ・ンド本体６１
に回動自在に装着してノ・ンド本体６１の歯車機構を介
して回動する軸４０及び５０にリンク４１及び５１を固
着すると共に、ノ・ンド本体６１に固着した軸４２及び
５２にリンク４６及び５６を回動自在に装着し、これ等
のリンク４１．４３及び５１．５３の先端に軸４４．４
５及び５４゜５５によってリンク４６及び５６を回動自
在に軸支して構成しである。

触覚センサ３４，３５は、夫々第１４図に示すように受
力部材６１を中空軸６２にポルト６７及ナツト 吊によって固着し、この軸６２の球部６２＆を固定基台
６６の球面６３ａに匿入してなる球関節継手によって固
定基台６６上に旋回可能に支持し、受力部材６１−と固
定基台６６との間に、リング状の弾性体６５笈びリング
状の力検出器６６を介挿［７て構成しである。

その力検出器６６は、第１図に示した力検出器６と同様
に、感圧導電ゴム６６ａと共通電極６６ｂ。

及び第１５図に示すように感圧導電ゴム６６ａ上に等角
度で配設した８個の検知電極６６Ｃ１〜６６ｃ８とによ
って構成【７である。

そ１．て、このように構成１〜た触覚センサ３４゜６５
の固定基台６６を平行リンク機構３２．３３のリンク４
６．５６に夫々固着［２、また受力部材６１をフィンガ
３８．３９に夫々固着［７である。

このとき、中空軸６２の軸心（ボルト６７の中心と同じ
）とフィンガ３８．３９に取付けた爪部３６．３７の把
持面３６ａ　、３７ａ及び押付面３６ｂ　、３７ｂとの
位置関係をすら［、である、すなわち力の作用点が球関
節継手の細心に対してずれるように［７である。

このように構成したメカニカルハンドは、）１ンド本体
６１内の駆動モータ、歯車機構によって２つの平行リン
ク機構３２．３３を相対旋回させて、２つのフィンガ３
８．３９を相対移動し、爪部６６゜６７の把持面３６ａ
と３７ａとによって物体を把゛持したシ、あるいは把持
面３６ａと３７ａとを合わせた状態で、押付面３６ｂ　
、３７ｂによって物体を押したりする。

次ニ、このメカニカルハンドにおける握力、押付力検出
、物体探索について第１６図乃至第１８図の模式図を参
照（７て述べる。　なお、各図におけるＰＧ、Ｐｉは、
夫々触覚センサ３４，３５の軸６２の球部６２＆の中心
、すなわち受力部材６１の旋回支点を示す。

まず、第１６図を参照して、フィンガ３８　、３９によ
って物体７０を押え力Ｆ３で把持した場合、その反力に
よって支点Ｐｏ、Ｐｌｆ中心に矢示方向のモーメントＭ
３が生じる。

このとき、握力とモーメントは比例関係にあり、モーメ
ントＭｌの大きさを触覚センサ３４，３５によって検出
することによって、適切な握力で物体７０を把持できる
。

第１７図を参照［７て、フィンガ３９によって物体７１
を押込力Ｆ４で押し込んだ場合、その反力によって支点
Ｐ１を中心に矢示方向のモーメントＭ４が生じる。

このとき、押付力とモーメントは比例関係にあり、モー
メントＭ４の大きさを検出することによって、適切な押
付力で物体７１を押すことができる。

第１８図を参照して、フィンガ６９を図示しない物体に
押し当てた場合、物体との接触によって矢示方向の力Ｆ
５　、Ｆａ　、Ｆ７　、Ｆｓが夫々フィンガ３９に作用
すると、支点Ｐ１ｉ中心としてモーメントＭＳ、Ｍ６．
Ｍ？、Ｍ８が夫々生ずる。

このとき、いずれのモーメントが生じたかは触覚センサ
３５によって検出できるので、フィンガ３９を物体に押
し当てる制御を行なうことによって、物体探索を行なう
ことができる。

次に、このメカニカルハンドによる部品の嵌め合い作業
について第１９図及び第２Ｄ図を参照して説明する。

まず、第１９図に示すように、物体７２を物体７６の凹
所７３ａに嵌め込む場合において、物体７２と物体７３
とが図示のように接触したときには、物体７２に対して
作用する接触点Ｒ１，Ｒ２での反力ＦＡ、ＦＢは、夫々
動摩擦係数をμとすると、ＦＡ＝μＦｘｌ、　ＦＢ＝ｔ
ｔＦｘｚ になる。

したがって、物体７２を押込力Ｆｚで押し込むときに、
こじれが生じて物体７２を押し込めなくなるのは、 Ｆｚ＜ＦＡ十ＦＢ＝ｐ（Ｆｚｔ　＋Ｆｚ２）という関係
が成立するときである（ただし、物体７２．７３同志の
かみ込みはまだ発生していないとする。）。

これより、物体７２を嵌め込む作業を行なう場合には、 Ｆｚ＞μ（Ｆ−ｚ：ｘ＋Ｆｚ２） の関係を保らながら物体７２を押し込めばよいことが分
かる。

ところで、このとき反力　μ（Ｆ！１十Ｆ、ｒ２）　に
よって、触覚センサの支点Ｐ（ただし、実際は物体７２
の側方に位置しているがわがシ易くするため図のように
示した。）を中心としてモーメントＭＡｆ生じ、両者は
、 μ（Ｆ”１　＋Ｆｚ２）ＯＣＭ の関係にある。

したがって、Ｆｚ　＞ｔｔ　（Ｆ、ｒｔ　＋Ｆｘｚ）　
　を満足するときのモーメントをＭｏとすると、この設
定モーメントＭｏと触覚センサによって検出したモーメ
ントＭとが、Ｍｏ＞Ｍ　　となるように物体７２’ｅｘ
。

ｙ平面で動かしながら押し込めば、こじれを生ずること
なく物体７２を嵌め込むことが出来る。

ただし、実際は支点Ｐに生じるモーメン）Ｍはいくつか
の異った方向の力によるモーメントが合算されるので設
定モーメン）　Ｍｏは実験で求めることになる。

このよう゛な制御を行なう嵌め合い作業のフローを第２
０図に示Ｅ−である。

同図において、５ＴＥＰ１で物体を１ステップ押し込み
、５ＴＥＰ２で検出モーメン）Ｍと設定モーメントＭｏ
とを比較し、Ｍ＜Ｍｏ　　ならば５ＴＥＰ１に戻シ、Ｍ
≧Ｍｏ　　ならば５ＴＥＰ３に進んで、モーメント軸方
向を算出し、５ＴＥＰ４でモーメント軸と直角方向にワ
ーク（物体）を１ステツプ移動する。

そして、５ＴＥＰ５で検出モーメン）Ｍと設定モーメン
トＭＯとを比較して、Ｍ≧ＭＯならば５ＴＥＰ４に戻っ
て、更にワークを１ステツプ移動し、Ｍ＜Ｍｏ　　にな
ると、５ＴＥＰ６で１ステップ押し込み、５ＴＥＰ７で
押し込み完了か否かの判定を行ない、押し込みが完了す
るまで５ＴＥＰ　１〜５ＴＥＰ７を繰返し実行する。

そして、５ＴＥＰ７で押し込み完了になると、嵌め合い
作業モードを終了する。

なお、上述の例ではこの発明による触覚センサをメカニ
カルハンドのフィンガ部に装着したが、手首部に装着し
てもよい。

以上説明したように、この発明によれば力の方向及び大
きさを検出できるので、例えばメカニカルハンドに使用
することによって、部品の嵌め合い作業時に部品のこじ
れを検出して、部品のこじれをなくす方向に動かし、確
実に嵌め込むことが出来るようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、夫々この発明の第１実施例を示す
要部断面構成図及びその平面図、第３図は、第１図の力
検出器の平面図、第４図は、その力検出器の出力の一例
を示す波形図、 第５図は、この発明の第２実施例を示す要部断面構成図
、 第６図は、第５図の光センサの平面図、第７図は、この
発明の第３実施例を示す第５図と同様な要部断面構成図
、 第８図は、この発明の第４実施例を示す第５図と略同様
な断面構成図、 第９図及び第１０図は、夫々この発明の第５実施例を示
す断面構成図及びその平面図、 第１１図は、この発明の第６実施例を示す要部断面構成
図、 第１２図及び第１６図は、夫々この発明による触覚セン
サを備えたメカニカルノ・ンドの平面図及び右側面図、 第１４図は、そのメカニカルハンドに備えた触ｉセンサ
の断面図、 第１５図は、第１４図の力検出器の平面図、第１６図は
、メカニカルハンドにおける握力検出の説明に供する模
式図、 第１７図は、同じくその押付力検出の説明に供する模式
図、 第１８図は、同じくその物体探索の説明に供する模式図
、 第１９図は、メカニカルハンドによる部品の嵌め合い作
業の説明に供する説明図、 電２０図は、同じくその嵌め合い作業のフローを示す図
である。 １．１１，２１．６１・・・・・・受力部材１ａ、１３
ａ、２３ａ、６３ａ・・・・・・球面２．２２．６２・
・・・・・軸 ２ａ　、２２ａ　、６２ａ・・・・・・球部３．１３，
２３．６３・・・・・・固定基台５．２５．６５・・・
・・・弾性体 ６．６６・・・・・・力検出器（複数の力検知素子）６
ａ、６６ａ・・・・・・感圧導電ゴム６ｂ、６６ｂ・・
・・・・共通電極 ６ｃ１−６ｃｎ、　６６ｃｌ−６６ｃｓ　・−−検知電
極８・・・・・・発光素子　１０・・・・・・ミラー９
・・・・・・光センサ　９ａｌ〜９ａｎ・・・・・・受
光素子１５．１６．１７・・・・・・ロードセル（力検
知素子）出願人　日産自動車株式会社 第１図 第２図　　　　　第３図 第４図 ０−　　　　　　　　　　　　２７０−　　　　　　　
　３６０’　　ｌｌＩ＋ｌＪＩ第５図 第６図 ｊ１７　　聞 第９図 ２ 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図 第１４図 第１５図 ６ｃｓ 第１６図 第１７図 第１８図 第１９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　力の方向及び大きさを検出する触覚センサにおいて
   、前記力が作用する受力部材を球関節継手によって固定
   基台上に旋回可能に支持すると共に、前記球関節継手の
   軸心の周囲に、前記受力部材に力が作用したことを検知
   する複数のカ検知素子を配置し、この複数の力検知素子
   の検知信号に基づいて前記力の方向及び大きさを検出す
   ることを特徴とする触覚センサ。