JPS61283842A - Force sensor - Google Patents

Force sensor

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Publication number
JPS61283842A
JPS61283842A JP60125807A JP12580785A JPS61283842A JP S61283842 A JPS61283842 A JP S61283842A JP 60125807 A JP60125807 A JP 60125807A JP 12580785 A JP12580785 A JP 12580785A JP S61283842 A JPS61283842 A JP S61283842A
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JP
Japan
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displacement
force sensor
elastic body
force
freedom
Prior art date
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Pending
Application number
JP60125807A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koichi Fujiwara
幸一 藤原
Kunitoshi Nishimura
国俊 西村
Minoru Ito
稔 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PURPOSE:To obtain a force sensor with six degree of freedom based on a new principle suitable for a smaller size and a lighter weight with a higher sensitivity and a large load capacity, by check 2-D displacements separately with three non-contact displacement detectors to detect external force with 6 degree of freedom. CONSTITUTION:Non-contact type semiconductor 2-D position detecting elements (PSD) 13, 14 and 15 are assembled so as to continue at 90 deg. to one another and supported on a displacement detector support base 12. Now when an external force works on a hand 24 of a robot, light spots 19, 20 and 21 projected through optical fibers 16, 17 and 18 move two-dimensionally on planes PSD 13, 14 and 15. Therefore, by electrically measuring the positions of these light spots, the displacement from the initial state can be calculated and then, converted into a force working on the hand 24 from the relationship between the displacement of a spherical elastic body 10 obtained by precalibration and the force to determine the value thereof. This enables the movement of the displacement detector support base 12 with 6 degree of freedom.

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、ロボットのアームとノ1ンドの間に装着し、
ハンドに作用する外力やモーメントを検出する力覚セン
サに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION "Field of Industrial Application"
The present invention relates to a force sensor that detects an external force or moment acting on a hand.

「従来の技術」 従来、この種の力覚センサの原理は、板ばね等    
 ′の弾性体の表面に貼設された歪ゲージにより変位 
    ゛を検出する方法によるものが一般的であった
。したがって6自由度の力覚センサを得るためには、”
171  冨軸および各軸まわりのモーメントを同時に
独立して検出する必要がある。第5図にスタンフォード
研究所(5tazford −Researoh 工n
5titute)で発明されたロボット手首用力覚セン
サの一例を示す(長谷用:「ロボットの触覚」、システ
ムと制御、 Vo& 22. &7.  PP、 40
9−416−1978)。第5図において、1,1′は
X軸方向の力を検出する弾性柱であって、1と1′はz
軸に対して対象な位置に設けられている。同様にして、
2.2′はy軸方向の力を検出する弾性柱である。
"Conventional technology" Conventionally, the principle of this type of force sensor was to use a leaf spring, etc.
The displacement is measured by the strain gauge attached to the surface of the elastic body.
The most common method was to detect Therefore, in order to obtain a force sensor with 6 degrees of freedom,
171 It is necessary to simultaneously and independently detect the final axis and the moments around each axis. Figure 5 shows the Stanford Research Institute.
An example of a robot wrist force sensor invented by Hase (for Hase: "Robot's Tactile Sense", System and Control, Vo & 22. & 7. PP, 40)
9-416-1978). In Fig. 5, 1 and 1' are elastic columns that detect force in the X-axis direction, and 1 and 1' are z-axis
It is provided at a symmetrical position with respect to the axis. Similarly,
2.2' is an elastic column that detects force in the y-axis direction.

また、3.ご並びに4,4′はX軸方向の力を検出する
弾性柱である。上記各々の弾性柱の側面には、第6図に
示されるように、歪ゲージ5.キが貼設されている。第
5図の力覚センサは一例にすぎないが、従来の力覚セン
サのほとんどすべてのものは、弾性体の構造を工夫し、
6自由度の力を分離して検出することに重点が置かれて
いた。
Also, 3. Elastic columns 4 and 4' detect forces in the X-axis direction. As shown in FIG. 6, strain gauges 5. A key is attached. The force sensor in Figure 5 is just one example, but almost all conventional force sensors have a modified structure of the elastic body.
The emphasis was on separating and detecting forces in six degrees of freedom.

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、前述した方式の歪ゲージを用いた従来の
力検出方式は、構造体が複雑になり、力覚センサの小型
化、軽量化には限度があるため、可搬重量数ゆ以下の小
型ロボットに適した外径数Cm以下の力覚センサは製造
困難であった。
"Problems to be Solved by the Invention" However, the conventional force detection method using the strain gauge described above has a complicated structure, and there are limits to the miniaturization and weight reduction of the force sensor. It has been difficult to manufacture a force sensor with an outer diameter of several centimeters or less, which is suitable for small robots with a payload capacity of several centimeters or less.

一方、力覚センナの感度と負荷容量については、従来の
技術では、上記弾性体のばね定数を任意に変化させるこ
とはできないために、高感度でかつ高負荷に耐える力覚
センサの実現は困難であった。
On the other hand, regarding the sensitivity and load capacity of a force sensor, it is difficult to realize a force sensor that is highly sensitive and can withstand high loads because it is not possible to arbitrarily change the spring constant of the elastic body using conventional technology. Met.

なお、特公昭59−153135号明細書に示されてい
る「力センサ」においては、かかる問題解決の一方法と
して、ローラの直進案内で受けた一方向の変位をポテン
ショメータで検出し、ラッ名ヒニオン、モータから成る
駆動機構によりこの変位に抗する復元力を加えることで
力センサの剛性を任意に変化させる方法が提案されてい
る。しかしながらこの方法で多自由度の力覚センナを提
供するためには、自由度と同数のフィードバック系を必
要とするので、装置の構成が複雑かつ大がかりになる欠
点があった。
In addition, in the "force sensor" shown in Japanese Patent Publication No. 59-153135, one way to solve this problem is to use a potentiometer to detect the displacement in one direction received by the linear guide of the roller. A method has been proposed in which the rigidity of a force sensor is arbitrarily changed by applying a restoring force against this displacement using a drive mechanism consisting of a motor. However, in order to provide a force sensor with multiple degrees of freedom using this method, it is necessary to have the same number of feedback systems as there are degrees of freedom, which has the disadvantage that the configuration of the device becomes complicated and large-scale.

「発明の目的」 本発明の目的は、高感度で負荷容量が太き(、かつ小型
化、軽量化に適した新原理に基づく6自由度力覚センナ
を提供することkある。
``Object of the Invention'' An object of the present invention is to provide a 6-degree-of-freedom force sensor based on a new principle that is highly sensitive, has a large load capacity, and is suitable for miniaturization and weight reduction.

r問題点を解決するための手段」 前記問題点を解決するために本発明は支持体に可動部を
弾性体を介して取り付け、前記支持体と可動部のどちら
か一万に、所定の変位平面に沿った2次元変位を検出す
る3つの非接触変位検出器を、また、他方に、前記非接
触変位検出器の標的を形成する標的形成体を、各々、非
接触変位検出器に標的形成体を対向させて取り付け、前
記3つの非接触変位検出器を、各変位平面を互いに直交
する平面内に含むように配置したものである。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention attaches a movable part to a support body through an elastic body, and applies a predetermined displacement of 10,000 to either the support body or the movable part. Three non-contact displacement detectors that detect two-dimensional displacement along a plane, and a target forming body that forms a target for the non-contact displacement detector, respectively. The three non-contact displacement detectors are mounted so that their bodies face each other, and the three non-contact displacement detectors are arranged so that each displacement plane is included in a plane orthogonal to each other.

「作 用」 3つの非接触変位検出器が各々2次元変位を検出して6
自由度の外力を検出するとともに、歪ゲージや駆動機構
を有しないために小型軽量化も容易である。
"Operation" Three non-contact displacement detectors each detect two-dimensional displacement and
In addition to detecting external forces with degrees of freedom, it is also easy to reduce size and weight because it does not have a strain gauge or drive mechanism.

「実施例」 第1図に示す本発明の第1実施例を説明するにあたり、
まず、本発明の力覚センナの基本となる作動原理につい
て第2図を基に説明する。
“Example” In describing the first example of the present invention shown in FIG.
First, the basic operating principle of the force sensor of the present invention will be explained based on FIG. 2.

第2図は本発明の詳細な説明するためのものであって、
直交するX、 7.  Z軸において101はX軸に垂
直なy zil平面、102はy軸に垂直なπ平面、1
03はz軸に垂直なxy平面である。図中黒丸で示した
104,105,106はそれぞれ初期状態での!、7
.m軸(実線)と該平面101.102,103との交
点を、また、図中白丸で示した107,108,109
はそれぞれ外力が作用し、変位した状態でのx’、  
y’、  #軸(2点鎖線)と該平面101,102,
103との交点である。また、!、7.M軸の原点を標
的と称することとする。したがって110及び111は
それぞれ初期状態及び外力が作用した状態での標的の位
置を示す。なお、ここでは該平面101゜102.10
3は固定し、X、  y、  、軸が外力により変位す
る場合を説明したが、逆の場合すなわち、該平面101
,102,103の相対位置は変化せず、これらの平面
が一体となって変位する場合も同様に成立する。更に、
Fx、  Fy、  FgはそれぞれX軸、y軸、X軸
方向にかかる外力の大きさ、RX z  R7* Rz
はそれぞれX軸、y軸。
FIG. 2 is for detailed explanation of the present invention,
Orthogonal X, 7. On the Z axis, 101 is the y zil plane perpendicular to the X axis, 102 is the π plane perpendicular to the y axis, 1
03 is an xy plane perpendicular to the z-axis. 104, 105, and 106 indicated by black circles in the figure are in their initial states! ,7
.. The intersections of the m-axis (solid line) and the planes 101, 102, 103 are also indicated by white circles at 107, 108, 109 in the figure.
are x' when an external force acts and is displaced, respectively.
y', # axis (two-dot chain line) and the planes 101, 102,
This is the intersection with 103. Also,! ,7. The origin of the M axis will be referred to as the target. Therefore, 110 and 111 respectively indicate the position of the target in the initial state and in the state in which an external force is applied. In addition, here, the plane 101°102.10
3 is fixed and the X, y, and axes are displaced by external force, but in the opposite case, that is, the plane 101
, 102, 103 do not change, and the same holds true even when these planes are displaced together. Furthermore,
Fx, Fy, Fg are the magnitudes of external forces applied in the X-axis, y-axis, and X-axis directions, respectively, RX z R7* Rz
are the X and y axes, respectively.

2軸まわりのトルクの大きさである。It is the magnitude of torque around two axes.

該平面101,102,103上での変位量を第2図で
示したように定義すれば、外カFx、F7tFz、)ル
クR” t  R7s  Rzは次式で与えられるO FX =ks (uyz+ uKK )      (
11F 7 ” kg (u xy+ u27)   
  +2)F ” = ks (u xx+ uyz 
)      ((lRX =l t  (uyz  
 tjzy )          (41Ry = 
is (uニーU。)(5)RE = lls (ux
y  uyx )      (6)ココテ、kt @
  key  kg 、11p  1lxy  ISは
装置固有の定数である。上記標的が等方的弾性体で支持
されている場合、 kg =に2=ka =に、 lh =lz =ls 
Elまた、該等方弾性体の変位を外部から等方的に拘束
し、剛性を向上した場合の上記定数なkl、  67と
すると、 &)c、  I>e となる・したがって、あらかじめ、種々の拘束力の下で
の拘束力と)t、  llの較正を行っておけば、上記
6個の変位量、U73C#  ”ZZ*  ”X7e”
27m  ”X1lz  u7zを測定することにより
(1)〜(6)式により外力F Xg  F 71  
F zg RXs  R7tRzが求められる。
If the displacement amounts on the planes 101, 102, and 103 are defined as shown in FIG. 2, the outer force Fx, F7tFz, uKK ) (
11F 7” kg (U xy + U27)
+2) F ” = ks (u xx + uyz
) ((lRX = l t (uyz
tjzy ) (41Ry =
is (u nee U.) (5) RE = lls (ux
y uyx ) (6) Kokote, kt @
key kg, 11p 1lxy IS are constants specific to the device. If the above target is supported by an isotropic elastic body, then kg = 2 = ka = lh = lz = ls
El Also, if the above constant kl is 67 when the displacement of the isotropic elastic body is isotropically restrained from the outside and the rigidity is improved, then &)c, I>e. Therefore, in advance, various If you calibrate the restraint force under the restraint force of )t, ll, the above six displacements, U73C# ``ZZ* ``X7e''
By measuring 27m ”X1lz u7z, the external force F
F zg RXs R7tRz is calculated.

本発明は、以上説明したような基本原理に基づいてなさ
れたものであり、以下にその第1実施例について説明す
る。
The present invention has been made based on the basic principle as explained above, and a first embodiment thereof will be described below.

第1図は本発明の第1実施例を説明する図であって、1
0は繊維強化型のフッ素系ゴムから成る球状弾性体、1
1.11’は該球状体弾性体10の上部と下部に取り付
けたフランジ、12は該フランジ111に取り付けられ
て後述する変位検出器を支える支持台、13は!、  
lit軸方向の2次元変位を検出する非接触型の板状の
第1変位検出器、同機に14はy、z軸方向の2次元変
位を検出する非接触型の板状の第2変位検出器、15は
XmV軸方向の2次元変位を検出する非接触型の板状の
第3変位検出器であり、これらの各検出器13゜14.
15が各々変位平面を構成する。該検出器13.14.
15は本実施例においては、半導体2次元位置検出素子
(PSD)を用いた。なお、以後、第1変位検出器13
は第1PSD13、第2変位検出器14は第2PSD1
4、第3変位検出器15は第3PSD15と各々略称す
ることにする。16は該第1PSD13に対向する光フ
ァイバ(標点形成体)、同様に17は該第2PSD14
に、18は該第5PSD15に各々対向する光ファイバ
(標点形成体)であり、該光ファイバ16s  17 
t  i 8のそれぞれの先端は第2図の標的110に
相当する。19は該光ファイバ16により第1 PSD
Ia上に照射された光点(標点)を示す。同様に20は
該光ファイバ17により照射された第2PSD14上の
光点(標点)、21は該光ファイバ18により照射され
た第3PSDls上の光点(標点)である。これらの光
点19゜20.21はそれぞれ第2図における105又
は108.104又は107.106又は109に相当
する。22は3本の該光ファイバ16.17゜18を固
定するスリーブ、23はロボット本体のアーム(支持体
)の一部であって、該スリーブ22は該アーム23に固
定され、該アーム23は該7ランジ11に取り付げられ
ている。24はロボットのハンド(可動部)であって、
該ノ1ンド24は該7ランジ11’に取り付けられ、該
球状弾性体10で保持されているから、該ハンド24に
外力が作用すると、該変位検出器支持台12は自由度6
の動きが可能となる。一方、該PSD13.・14゜1
5はお互いに90度の角度で連続するように組立てられ
、該変位検出支持台12上に支持されている。したがっ
て、該ハ/P24に外力が作用すると、該光ファイバ1
6.17.18により照射された該光点19,20,2
1は該P S D 13゜14.15の平面上を2次元
的に移動するから、これらの光点の位置を電気的に測定
(なお、測定方法は大橋義春、山本晃永:電子材料、1
980年2月号に記載されている方法を用いる。)する
ことにより、初期状態からの変位を算出でき、あらかじ
め較正して得られた該球状弾性体lOの変位と力の関係
から、ハンド24に加わった力に換算してその値を求め
ることができる。なお、2次元変位検出器としては本実
施例のように光学的方法を用いた場合は、CCD等の種
々の固体イメージセンサも使用可能である。なお本実施
例で使用した力覚センサの大きさは、直径3cm、重さ
約150g、力感度0.51であり、昭和60年度に商
品化が計画されている(日経産業新聞59年9月27日
付)市販の最小のものに比べ約176となり、小型、軽
量化をなしえた。更に、前記構造の変位量測定機構部は
該弾性体内部にあり、密閉構造であるので、内部に塵埃
、油等の異物が浸入することもなく、信頼性の高い力覚
センサが得られる。
FIG. 1 is a diagram illustrating a first embodiment of the present invention.
0 is a spherical elastic body made of fiber-reinforced fluorine rubber, 1
1.11' are flanges attached to the upper and lower parts of the spherical elastic body 10, 12 is a support base attached to the flange 111 and supports a displacement detector to be described later, and 13 is! ,
14 is a non-contact plate-shaped first displacement detector that detects two-dimensional displacement in the y- and z-axis directions, and a second non-contact plate-shaped displacement detector that detects two-dimensional displacement in the y- and z-axis directions. 15 is a non-contact plate-shaped third displacement detector for detecting two-dimensional displacement in the XmV axis direction, and each of these detectors 13, 14.
15 each constitute a displacement plane. The detector 13.14.
15, a semiconductor two-dimensional position detection element (PSD) was used in this embodiment. In addition, from now on, the first displacement detector 13
is the first PSD 13, and the second displacement detector 14 is the second PSD 1.
4. The third displacement detector 15 will be abbreviated as third PSD 15. Reference numeral 16 indicates an optical fiber (point forming body) facing the first PSD 13, and 17 indicates the second PSD 14.
, 18 is an optical fiber (gage point forming body) facing the fifth PSD 15, and the optical fibers 16s, 17
The tip of each t i 8 corresponds to target 110 in FIG. 19 is the first PSD via the optical fiber 16.
The light point (marker point) irradiated on Ia is shown. Similarly, 20 is a light point (gage point) on the second PSD 14 irradiated by the optical fiber 17, and 21 is a light point (gage point) on the third PSDls irradiated by the optical fiber 18. These light spots 19°20.21 correspond to 105 or 108.104 or 107.106 or 109 in FIG. 2, respectively. 22 is a sleeve that fixes the three optical fibers 16, 17, 18; 23 is a part of the arm (support body) of the robot body; the sleeve 22 is fixed to the arm 23; It is attached to the 7 langes 11. 24 is a robot hand (movable part),
Since the hand 24 is attached to the seven flange 11' and held by the spherical elastic body 10, when an external force is applied to the hand 24, the displacement detector support 12 has six degrees of freedom.
movement becomes possible. On the other hand, the PSD13.・14゜1
5 are assembled so as to be continuous at an angle of 90 degrees to each other, and are supported on the displacement detection support base 12. Therefore, when an external force acts on the optical fiber 1
The light spot 19, 20, 2 illuminated by 6.17.18
1 moves two-dimensionally on the plane of P S D 13° 14.15, so the positions of these light spots are measured electrically (the measurement method is as described in Yoshiharu Ohashi and Akinaga Yamamoto: Electronic Materials, 1
The method described in the February 980 issue is used. ), the displacement from the initial state can be calculated, and from the relationship between the displacement and force of the spherical elastic body lO obtained by pre-calibration, the value can be calculated by converting it into the force applied to the hand 24. can. In addition, when an optical method is used as the two-dimensional displacement detector as in this embodiment, various solid-state image sensors such as a CCD can also be used. The force sensor used in this example has a diameter of 3 cm, a weight of approximately 150 g, and a force sensitivity of 0.51, and commercialization is planned in 1985 (Nikkei Sangyo Shimbun, September 1959). (dated 27th) Compared to the smallest commercially available product, it was approximately 176, making it smaller and lighter. Furthermore, since the displacement measurement mechanism section of the structure is located inside the elastic body and has a sealed structure, foreign matter such as dust and oil does not enter the inside, and a highly reliable force sensor can be obtained.

したがって、今後ロボットの活躍が期待されている小型
の精密部品組立用の小型ロボットの力覚センナとして最
適である。
Therefore, it is ideal as a force sensor for small robots for assembling small precision parts, an area in which robots are expected to play an active role in the future.

以上の説明から明らかなように、従来技術では各自由度
毎に独立した弾性体に貼設さルた歪ゲージを配置する方
法であったが、本実施例では、等方的弾性体を使用し、
該弾性体に支持された6自由度の標点の変位を互いに直
交する6平面上に向き合って配置された3個の2次元位
置検出器により検出する方法であるので力覚センサの原
理が異なっている。
As is clear from the above explanation, in the conventional technology, strain gauges are attached to independent elastic bodies for each degree of freedom, but in this example, an isotropic elastic body is used. death,
This method uses three two-dimensional position detectors arranged facing each other on six mutually orthogonal planes to detect the displacement of a gauge point with six degrees of freedom supported by the elastic body, so the principle of the force sensor is different. ing.

さらに、従来技術では、一般に弾性体の形状、寸法を変
えない限り、該弾性体の剛性は変わらず、力感度および
負荷容量は装置固有の不変値であった。また、前述した
公開特許公報、昭59−153135号明細書に示され
ている「カセンカにおいては、各自由度毎にアクチュエ
ータにより剛性を調節する方法であるのに対して、本発
明では、1つの等方弾性体の変位を外部から等1的に拘
束して剛性を調節する方法であるので、構成が簡単な特
長を有している。
Furthermore, in the prior art, the rigidity of the elastic body generally remains unchanged unless the shape and dimensions of the elastic body are changed, and the force sensitivity and load capacity are constant values unique to the device. In addition, whereas the above-mentioned Japanese Patent Publication No. 153135/1980 discloses a method in which the stiffness is adjusted by an actuator for each degree of freedom, in the present invention, the stiffness is adjusted using an actuator for each degree of freedom. Since this is a method of adjusting the rigidity by uniformly restraining the displacement of an isotropic elastic body from the outside, it has the advantage of a simple configuration.

第3図は本発明の第2実施例の光源部分を示すもので標
点の変位を測定する方法は第1実施例と同様であるが、
本実施例にあっては、第1実施例における光7アイバ1
6,17,18の代わりK。
FIG. 3 shows the light source part of the second embodiment of the present invention, and the method for measuring the displacement of the gauge point is the same as in the first embodiment.
In this embodiment, the optical 7 eyeglass 1 in the first embodiment is
K instead of 6, 17, 18.

光ファイバを1本のみ使用した場合の実施例である。This is an example in which only one optical fiber is used.

30は光ファイバ(標点形成体)、31は光分波ハウジ
ング、32は光分波部品、33は該分波部品32に設け
られ、Z軸方向の光を通す貫通孔、34はX軸方向の光
を集光するヘロツドレンズ、同様に35.36はそれぞ
れy軸方向、X軸方向の光を集光するロッドレンズ、3
7はX軸方向の光線、同様に38.39はそれぞれy軸
、2軸方向の光線である。該光分波部品32は四角錐台
状になっており、プラスチックを成形加工して形成した
ものである。光分波部品32の各面には反射率を良くす
るためAJめつきが施されている0そして該光ファイバ
30、該光分波部品32、該ロッドレンズ34,35,
36はそれぞれ、該ハウジング31!に固定されている
。なお、該ノ1ウジング31は前記第1実施例の前記ス
リーブ220機能も合わせ持っており、該光ファイバ3
0を補強するとともに、前記ロボットのアーム23に固
定されている。
30 is an optical fiber (gage point forming body), 31 is an optical demultiplexing housing, 32 is an optical demultiplexing component, 33 is a through hole provided in the demultiplexing component 32 and through which light passes in the Z-axis direction, and 34 is an X-axis Similarly, 35 and 36 are rod lenses that condense light in the y-axis and x-axis directions, respectively.
7 is a light ray in the X-axis direction, and 38 and 39 are light rays in the y-axis and two-axis directions, respectively. The optical demultiplexing component 32 has a truncated quadrangular pyramid shape and is formed by molding plastic. Each surface of the optical demultiplexer 32 is AJ plated to improve reflectance, and the optical fiber 30, the optical demultiplexer 32, the rod lenses 34, 35,
36 are the housings 31! is fixed. Note that the first housing 31 also has the function of the sleeve 220 of the first embodiment, and the optical fiber 3
0 and is fixed to the arm 23 of the robot.

第4図は本発明の第3実施例を説明する断面図である。FIG. 4 is a sectional view illustrating a third embodiment of the present invention.

本実施例にあっては、標点の変位を測定する方法は前記
第1実施例と同様であるが、第↑実施例における球状弾
性体10の構造と、該球状弾性体lOの内部に圧力の調
節機構を付加した点において異なっている。
In this embodiment, the method for measuring the displacement of the gauge point is the same as in the first embodiment, but the structure of the spherical elastic body 10 in the ↑ embodiment and the pressure inside the spherical elastic body lO are the same as those in the first embodiment. It differs in that it has an additional adjustment mechanism.

jI4@において、40は繊維強化型プラスチックス(
FRP)から成る球状の内側シェル、41はFRPから
成る球状の外側シェル、42は該内側シェル40と該外
側シェル41の間に充てんされたフッ素系ゴムから成る
弾性体、43は該内側シェル40に接続されて該内側シ
ェル4oの内圧調節を行うガス導入管、44はガス封止
弁である。
In jI4@, 40 is fiber reinforced plastics (
41 is a spherical outer shell made of FRP; 42 is an elastic body made of fluorocarbon rubber filled between the inner shell 40 and the outer shell 41; 43 is the inner shell 40; A gas introduction pipe 44 connected to the inner shell 4o to adjust the internal pressure of the inner shell 4o is a gas seal valve.

該内側シェル40はロボットのアーム23側に固定され
、また該外側シェル41はロボットのハンド24側に固
定されている。該内側シェル40におけるハンド24側
の先端部と変位検出器支持台12との間、並びに、該外
側シェル41におけるアーム23側の先端部と該アーム
23との間には一定のすき間dが各々設けられており、
該弾性体42を介する該内側シェル4oと該外側シェル
41の相対運動を妨げないようになっている。しかし、
過度の外力が該ハンド24に加わった場合、該内側シェ
ル40と該外側シェル41の相対運動は上述のすき間4
部分で拘束されるため、光ファイバ16.17.18と
2次元変位検出器13,14.。
The inner shell 40 is fixed to the arm 23 side of the robot, and the outer shell 41 is fixed to the hand 24 side of the robot. A certain gap d is provided between the tip of the inner shell 40 on the hand 24 side and the displacement detector support 12, and between the tip of the outer shell 41 on the arm 23 side and the arm 23. It is provided,
The relative movement between the inner shell 4o and the outer shell 41 via the elastic body 42 is not hindered. but,
When an excessive external force is applied to the hand 24, the relative movement between the inner shell 40 and the outer shell 41 is caused by the above-mentioned gap 4.
Since the optical fibers 16, 17, 18 and the two-dimensional displacement detectors 13, 14 . .

15の接触に伴なう破損を防止することができる@核内
側シェル40の内圧の調節は外部の設置した小型コンプ
レッサを用いて、1驚から10υの範囲まで変化させた
。本実施例では、該外部シェル41、該内部シェル40
の直径はそれぞれ4c、m。
The internal pressure of the nuclear inner shell 40, which can prevent damage caused by contact with the nuclear reactor 15, was adjusted by using a small compressor installed outside to vary it from 1 to 10 υ. In this embodiment, the outer shell 41 and the inner shell 40
The diameters are 4c and m, respectively.

2cmである。力感度と負荷容量は、内圧1盟の場合、
それぞれ0.5L1ki9であり、内圧10盟の場合、
それぞれsg、smであった。
It is 2cm. The force sensitivity and load capacity are as follows when the internal pressure is 1.
Each is 0.5L1ki9, and in the case of internal pressure 10,
They were sg and sm, respectively.

該内側シェル40の内圧を変えた場合、該外側シェル4
1と該内側シェル40の相対変位と、該ハンド24に作
用する外力の関係は変化するので、あらかじめ、該内圧
をパラメータとして、該相対変位と該外力の関係を較正
しておく必要がある。
When the internal pressure of the inner shell 40 is changed, the outer shell 4
1 and the inner shell 40 and the external force acting on the hand 24 change, so it is necessary to calibrate the relationship between the relative displacement and the external force in advance using the internal pressure as a parameter.

該内圧は、外部に設置した圧力調整装置と接続して、該
力覚センサの出力をフィードバックして随時調整するこ
とにより、力覚センサの感度、負荷容量を、その場で任
意に調整することもできる。
The internal pressure is connected to an externally installed pressure regulator, and the output of the force sensor is fed back to adjust it as needed, so that the sensitivity and load capacity of the force sensor can be arbitrarily adjusted on the spot. You can also do it.

また、ガス封止弁44により一定の内圧を保持した状態
で、該圧力v41i装置な力覚セ/すかも切り離し1作
業に供する方法をとってもよい。したがって本実施例の
力覚センサにあっては、ハンドUに過大な外力が加わっ
たとき、該弾性体42の変位量を前述の如・き隙間dを
利用して自律的k、および、圧力操作による他律的方法
により拘束できる機能を有しているので、力覚センサの
破損を防止することができる。
Alternatively, a method may be adopted in which the pressure V41i device is used for one operation of force sensing and separation while maintaining a constant internal pressure using the gas sealing valve 44. Therefore, in the force sensor of this embodiment, when an excessive external force is applied to the hand U, the amount of displacement of the elastic body 42 is automatically adjusted to k and pressure by using the gap d as described above. Since it has the function of being able to be restrained by a heteronomous method by operation, damage to the force sensor can be prevented.

「発明の効果」 以上説明したように本発明の力覚センナは、支持朱に弾
性体を介して可動部を取り付け、2次元変位を検出する
3つの非接触変位検出器と、これに対する標点形成体と
を可動部と支持体に取り付であるため、可動部に作用し
た外力を3つの変位平面上を移動する標点の2次元的変
位量から算出することができる。また、歪ゲージやボテ
ンシロメータを利用して構成されていた従来の力覚セン
サにあっては、6自由度を得るために弾性体に備える歪
ゲージの配置な複線にする関係から弾性体を大型かつ複
雑化したり、ポテンショメータに付属させるべき駆動機
構を要するために装置構成が複雑かつ大がかりになって
いたのに比較して、本発明の力覚センサにあっては弾性
体に歪ゲージを備える必要がなくなって弾性体の構造を
簡略化できるとともに、駆動機構が不要になって小型軽
量化をなし5る。したがって本発明の力覚センサは、小
型精密部品組立用等に這した小型ロボット用として最適
である。
"Effects of the Invention" As explained above, the force sensor of the present invention has a movable part attached to the support vermilion via an elastic body, three non-contact displacement detectors for detecting two-dimensional displacement, and a gauge for the movable part. Since the forming body is attached to the movable part and the support body, the external force acting on the movable part can be calculated from the two-dimensional displacement amount of the gauge point moving on the three displacement planes. In addition, in conventional force sensors configured using strain gauges and potentiometers, in order to obtain 6 degrees of freedom, the strain gauges provided on the elastic body are arranged in double lines, so the elastic body is The force sensor of the present invention is equipped with a strain gauge on the elastic body, whereas the device configuration has become complicated and large-scale due to the large size and complexity and the need for a drive mechanism to be attached to the potentiometer. This eliminates the need for an elastic body, which simplifies the structure of the elastic body, and eliminates the need for a drive mechanism, resulting in a reduction in size and weight. Therefore, the force sensor of the present invention is most suitable for use in small robots used for assembling small precision parts.

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

第1図は本発明の第1実施例の構成図、第2図は本発明
の原理を示す図、第3図は本発明の第2実施例の光源部
分の構成図、第4@は本発明の第3実施例の構成図、第
5@は歪ゲ」ジな用いた従来の力覚センサに採用されて
いる弾性体の一例め構成図、第6図は第5図のb部分の
拡大図である。 10.42・・・・・・弾性体、13. 14. 15
・・・・・・2次元変位検出器、tg、17t  18
t  30・・・・・・光ファイバ(標点形成体)、1
9.20. 21・・・・・・光点(標点)、23・・
・・・・ロボットのアーム(支持体)、24・・・・・
・ロボットのハンド(可動部)。
Fig. 1 is a block diagram of the first embodiment of the present invention, Fig. 2 is a diagram showing the principle of the present invention, Fig. 3 is a block diagram of the light source section of the second embodiment of the present invention, The configuration diagram of the third embodiment of the invention, Figure 5 is an example configuration diagram of an elastic body adopted in a conventional force sensor using a strain gauge, and Figure 6 is a diagram of part b of Figure 5. This is an enlarged view. 10.42...Elastic body, 13. 14. 15
...Two-dimensional displacement detector, tg, 17t 18
t 30... Optical fiber (gage point forming body), 1
9.20. 21... Light point (gauge), 23...
...Robot arm (support body), 24...
・Robot hand (movable part).

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)支持体に可動部が弾性体を介して取り付けられ、
前記支持体と可動部のどちらか一方には、所定の変位平
面に沿う標点の2次元変位を検出する3つの非接触変位
検出器が、また、他方には、前記変位平面に標点を形成
する標点形成体が、各々、取り付けられてなる力覚セン
サであって、前記3つの非接触変位検出器は、各変位平
面を互いに直交する3つの平面内に各々配置して設けら
れたことを特徴とする力覚センサ。
(1) A movable part is attached to the support body via an elastic body,
Three non-contact displacement detectors for detecting the two-dimensional displacement of a gauge point along a predetermined displacement plane are provided on either the support body or the movable part, and the other one is provided with a gauge point on the displacement plane. A force sensor is provided in which gauge point forming bodies are respectively attached, and the three non-contact displacement detectors are provided with respective displacement planes disposed within three planes orthogonal to each other. A force sensor characterized by:
(2)弾性体に中空部が形成され、弾性体に、この中空
部内の圧力を制御する圧力制御手段が付設された特許請
求の範囲第1項記載の力覚センサ。
(2) The force sensor according to claim 1, wherein the elastic body has a hollow portion, and the elastic body is provided with pressure control means for controlling the pressure inside the hollow portion.
(3)標点形成体が弾性体の中空部内に設けられた光フ
ァイバからなり、標点は光ファイバから前記中空部内の
非接触検出器の変位平面に投光された光ビームにより形
成される光点からなり、該光ビームは先端を互いに異方
向に向けて設けられた3本の光ファイバから、あるいは
、1本の光ファイバから分岐して得られた特許請求の範
囲第1項、または第2項記載の力覚センサ。
(3) The gauge point forming body consists of an optical fiber provided in the hollow part of the elastic body, and the gauge point is formed by a light beam projected from the optical fiber onto the displacement plane of the non-contact detector in the hollow part. Claim 1, which consists of a light spot, and the light beam is obtained by branching from three optical fibers with their tips pointing in different directions, or from one optical fiber, or The force sensor described in item 2.
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