JPS62177426A

JPS62177426A - 力及びトルク変換装置

Info

Publication number: JPS62177426A
Application number: JP61301109A
Authority: JP
Inventors: ジョン　エー，ヒルトン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-12-18
Filing date: 1986-12-16
Publication date: 1987-08-04
Also published as: JPH0584855B2; DE3687571T2; DE3687571D1; US4811608A

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】（産業上の利用分野）本発明は様々な運動変換の分野に適応でき、特に人為的
運動を制御信号に変換する場合に有益な力及びトルクの
変換装置に関する。例えば、産業用ロボットやバックホ
ー、コンピュータグー７フイツクス装置等の機械は制御
条件が複雑であるが、本発明ではその様な分野に適した
変換装置を対象としている。

（従来の技術と発明が解決しようとする問題点）既存の
システムでは、バックホー等の車両の制御をレバー（最
近ではジョイスティック）の操作により行なう。コンピ
ュータの分野では、ジョイスティックが一般的な制御シ
ステムとして使用されているが、トランクボールやマウ
スもコンピュータに使用されることがある。これらの装
置では、動作方向が制限されるので、命令についても制
限がある。

制御システムの他に、感知システムでも、外部から及ぼ
された力やトルクを監視することが必要である。感知シ
ステムの一例としては、米国特許第３９２１４４５号（
Ｉｌｉｌｌ及びＳｗｏｒｄ）に記載されているように、
操作部の３本の軸についての外力及びトルクを監視する
ためのシステムがある。上記特許明細書によると、操作
部が手のような形態であり、１対のジジー（顎部）が、
電動モーフにより相対的に回転させられる状態で設けで
ある。操作部はリスト構造（手首間接状構造）であり、
感知装置により、リストにおいて互いに直交する３本の
軸に沿って、力の大きさ及び方向を検知するとともに、
上記軸を中心とするトルクの大きさ及び方向を感知する
ようになっている。上記感知装置は、操作部の縦軸の回
りを延びる複数のセンサーを配置した構造となっている
。

（問題点を解決するための手段）本発明による装置では、互いに直角なＸ、Ｙ、Ｙ軸につ
いての指令信号を発生させ、具体的には、Ｙ軸及びＹ軸
に沿う並進力ならびにＹ軸及びＹ軸を中心とするトルク
を表す指令信号を発生させるようになっている。そして
本発明の装置では、力及びトルクが及ぼされるボディを
設け、該ボディに弾性連結手段を取り付けて、力及びト
ルクを受けて固定基礎に対して変位するビディを付勢す
るようにし、Ｘ−Ｚ平面での並進力の各方向成分ならび
にＹ軸及びＹ軸を中心とするトルクの各方向成分に対す
る連結手段の応答状態を検知するように感知手段を配置
した構成となっている。

後述する実施例では、各並進力及びトルクにより僅かな
変位が生じ、連結手段は中心位置へ付勢される。但し、
変位を発生させず、複数のセンサーが応答するように構
成し、各センサーにおいて、変位させようとする力やト
ルクを表す信号が発生するように本発明を具体化するこ
ともできる。例えば自動制御により変位に対抗するエネ
ルギを入力するようにしたシステムを使用することもで
き、その場合には、入力されるエネルギに対応する信号
を発生させ、該信号が外部からの力の大きさを示すよう
にする。

本発明では、並進力やトルクを、直交軸（最も好ましく
は３本の軸）についての成分に分解することができ、こ
の点において特に利用価値が高い。

以下の本発明の説明では、３軸型装置を使用した最も複
雑な例について記載する。この形態の装置は、人間工学
的に設計された複雑な制御システ１１に利用できる。多
くの用途では、操作部としてハンドルやグリップが設け
られ、その場合、グリップ等は並進力及びトルクを受け
、又、並進力はあらゆる方向に及ぼされ、トルクは所望
のあらゆる軸を中心にして及ぼされると考えられる。出
力信号は種々の装置を制御するために使用でき、１個だ
けの制御部材で機械等の複雑高度な制御を行なうことが
できる。このことは複雑な機械を制御する場合に特に重
要であり、具体的には、油圧回路等を制御する場合のよ
うに、多数のレバーを別々に操作する必要がある場合に
特に重要である。又別の利点として、身体障害者が装置
の制御操作を行なう場合に非常に便利であるということ
がある。

実施例の装置では、並進力やトルクによりごく僅かな変
位が生じるようになっている。以下に説明する機械的な
構成については、変位により生じる数学的な誤差は極め
て小さく、非常に小さい変位角度について無視できる程
度である。

具体的な一実施例では、ｘ、ｙ、ｚ軸が交差する部分が
固定基礎部に設けてあり、連結手段に、Ｚ方向及びＹ方
向に延びる弾性変形可能な対構造のアームが設けてあり
、各対のアームを基礎部の上記部分から互いに反対方向
に延びてボディに連結しており、センサー手段が各連結
アームの変位状態を検知してトルクや力を計算するため
の信号を発生するようになっており、センサー手段がＹ
軸の両側においてＺ方向に延びる連結アームでの各位置
におけるＸ方向の変位状態又はＹ軸回りのトルクを検知
するとともに、Ｙ軸の両側においてＹ方向に延びる連結
アームでの各位置におけるＺ方向の変位状態又はＸ軸回
りのトルクを検知する。

上述の実施例では、上記アームの先端側端部を拘束し、
上記第１軸と直角な軸、即ち互いに直角な第２及び第３
の軸の方向に上記端部が移動することを規制することが
好ましい。

上記実施例の構造を３方向型の装置に採用する場合、互
いに直角に延びる３対のアームをボディと連動する状態
で設け、各対のアームが、それぞれ、互いに直交する軸
の回りで拘束されるようにする。

本発明による装置では、各センサー手段での検知信号を
処理するための信号処理手段を設けて、外部からのトル
ク及び並進力に対応する出力信号を発生させ、３軸型の
場合には、出力信号が、互いに直交する３本の軸につい
ての外力及びトルクの分解成分を表すようにすることが
好ましい。

本発明の主要な第２の実施例では、連結手段に３個の連
結構造体を配列し、各連結構造体に、ボディから延びる
アームを設け、各アームを、少なくともある一定の角度
範囲において全方向に作動可能な自在継手を介して、脚
部に連結し、該脚部を、通常の状態で、固定基礎部に取
り付けられるアームに対して概ね直角な方向に延ばし、
付勢手段により脚部を中央位置へ付勢し、脚部を、脚部
の軸と概ね直角で上記自在継手の枢支点を含む平面にお
いて付勢力に対抗して移動可能な状態にしている。

各連結部材に併設するセンサー手段は、概ねある平面内
で作動するように配置し、連結部材の基準軸に沿う運動
と、基準軸に対して横方向の運動とを監視するように配
置することが好ましい。

装置が３本の基準軸を有している場合、第１軸の回りで
ボディが回転すると、その回転軸と直角な基準軸を有す
る連結部材で取り付けたセンサーにおいて、変位が生じ
る。これは及ぼされた偶力に起因するものであり、同等
かつ反対方向の反作用がある。

本発明は、通常、ごく僅かな運動を監視するような場所
に利用されるので（理想的な状況を表してはいるが）、
複数の平面での運動及び複数の平面に対する基準が実際
の運動を必ずしも正確に表すものではない。一実施例で
は平面上で運動が生じるが、他の実施例では、はぼ球面
状表面のごく僅かな部分で運動が生じる。但し、運動範
囲は僅かであり、はぼ平面運動として実際には処理でき
るので、本件明細書では平面運動として記載する。

センサーには平面状の板を設け、発光手段と光り検知手
段とにより運動を検知することが好ましい。

３個のセンサー板が検知した動作をデータ処理手段で処
理し、装置のボディに及ぼされた力等、即ちボディの並
進運動や回転運動及びそれらの組合せ、を表す信号を発
生させると効果的である。

（実施例）次に図面により実施例を説明する。

第１実施例の基本原理を略図である第１図により説明す
る。第１図には手動操作グリップに対して内部側に取付
装置を配置した状態で実施例が示されている。金属基礎
部８には、３対の板ばね１０Ａ。

１０Ｂ、　１０Ｃが、互いに直交する３個の平面上を延
びる状態で取り付けてあり、それらのばね中心線は基礎
部８の中心で交差し、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿
って延びている。

板ばね１０Ａ、　１０Ｂ、　１０Ｃの長さは概ね同一で
、各板ばねの基礎部８から離れた側の端部に、ポール状
先端部１１Ａ、　ＩＩＢ、　ＩＩＣが設けである。先端
部は枠状の手動操作グリップ内のスロット１２Ａ、　１
２Ｂ、　１２Ｃ内にそれぞれ位置している。上記先端部
がグリップに対して対応する板ばね平面と直角な方向に
移動しようとする場合、各スロットは先端部を拘束する
。即ち、例えばＺ軸に沿う変位力がグリップ９に及ぼさ
れた場合、仮ばね１０Ｂは曲がるだけであり、歪ゲージ
（図示せず）がその曲がりを測定するので、変位力に対
応する信号が発生する。各先端部のグリップ９に対する
運動は、対応する板ばねの平面内において自由である。

即ち、仮ばねの長手方向や板ばねと交差する方向に操作
グリップを移動させても、板ばねに曲がりは生じない。

各軸に対して傾斜した方向の外力は全ての仮ばねにおい
て対応する曲げ力成分に分解される。

同様に、操作グリップに及ぼされたトルクは、それぞれ
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心とする偶力に分解される。例え
ば、Ｚ軸を中心とするトルクの場合には、各先端部の変
位にともなって両板ばね１０Ａに同一かつ逆方向の曲げ
が生じる。

各軸に沿って及ぼされる力と各軸回りに及ぼされるトル
クとの関係は以下の式で表される。

ＦＭ　＝Ｒ１＋Ｒｚ　　　　ＴＸ　＝Ｒ５Ｒ６ＦＹ　＝
Ｒ３＋Ｒ４”ｒｖ　＝ＲＩ　−Ｒ２Ｆｚ　”　Ｒｓ　＋
　Ｒ６Ｔ２　＝　Ｒ：ｌ　　Ｒ４なおＦｌは■方向の力
であり、Ｔ１は■軸を中心とするトルクであり、Ｒ０〜
Ｒ６は特定の方向での相対的な変位量である。

Ｘ方向の力を操作グリップ９に及ぼすと、それに対応し
て１対の板ばね１０Ｃに僅かな曲げが生じ、該板ばねの
一方がＲ，に等しい距離だけ曲がり、他方がＲ２に等し
い距離だけ曲がる。従って、Ｘ方向の合力ＦＸはＦＸ＝
Ｒ，十Ｒ２で得られる。

同様に、Ｙ軸を中心とするトルクが及ぼされた場合、１
対の仮ばね１０Ｃの一方に変位ＮＲＩの曲げが生じ、他
方の板ばねに変位ｆＪ　Ｒ２の曲げが逆方向に生じる。

従って、Ｙ軸を中心とする合成変位量は、Ｔｖ　＝Ｒ＋
　　Ｒｔで表される。上記以外の力及びトルクも同様の
方法で計算できる。

第１図の略図に示す原理を利用する場合、実際には、第
２図及び第３図に示すような装置を使用する。第２図及
び第３図において、第１図の各部と同様の部分には同様
の符号が付しである。感知装置は接地面の上方において
固定構造の支持ロッド３により支持されている。上記ロ
ッド３は中央の取付ブロック８に連結している。球面状
の操作グリップ９に操作員の手を載せて力又はトルクを
及ぼすと、その力又はトルクは光学検知器により互いに
直角な個々の成分に変換される。この実施例では、Ｘ、
Ｙ、Ｚ方向の各板ばねが互いに間隔を隔てた１対の平坦
な弾性金属帯状体で構成されている。各１対の上記帯状
体はねじ７により中央の立方体状取付ブロック８の両面
に固定してあり、先端側の端部は継手１３により相互に
連結されている。継手１３には複数のねじにより端部取
付部品１４も取り付けである。端部取付部品１４にはボ
ール状先端部１１八、　ＩＩＢ、　ＩＩＣを有する軸が
それぞれｘ、ｙ、Ｚ軸方向に延びる状態で設けである。

この実施例では、各板ばねに併設される光学検知器とし
て、発光ダイオード２　　（ＬＥＤ）とフォトダイオー
ド３とがブラケット４に強固に取り付けた状態で設けで
ある。各ブラケットは取付バー６に取り付けてあり、該
バー６にねじ７により中央ブロック８に固定しである。

取付バー６と中央ブロック８の間には、パツキンブロッ
ク６Ａと板ばねの中央部が挟持されている。端部取付部
品１４は板ばね金属片同士を連結しており、この取付部
品１４にシャッター５が取り付けであるので、シャッタ
ーの移動によりフォトダイオード３に対する発光ダイオ
ード２の照射の程度が変化する。従って電気回路の電流
変化により変位量が測定される。

各フォトダイオードは配線部を介して電子回路部に接続
しており、電子回路部において力及びトルクについての
必要な計算が行われる。

第４図に示す第２実施例では、軸３１Ａ、３１Ｂ、３１
Ｃを取り付けた取付ボール３１により操作グリップ３０
が形成されている。互いに直角な上記軸には３個のＬ形
取付構造体が回動自在に取り付けてあり、これらの構造
体を利用して操作グリップ３０が取り付けである。上記
取付構造体にはＶ形のアーム部材、３３Ａ、３３Ｂ、３
３Ｃと脚部材３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃとがそれぞれ設け
てあり、それらにより操作グリップ３０が基礎部３４に
連結されている。

■形の各アーム部材３３Ａ、　３３８．３３Ｃは対応す
る軸３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃに回動自在に連結されてお
り、それぞれｘ、ｙ、ｚ軸を中心にして回動自在である
。

各アーム部材は対応する脚部材３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ
にボール継手３５を介して連結している。ボール継手３
５は、ある限られた範囲において、全方向の相対運動を
許容する。各脚部材は基部が基礎部３４に固定されてい
る七ともに、曲がり発生部分となる幅の狭い部分３６を
基部の近傍に備えている。各脚部材はばね状金属材料で
形成されており、図示の位置へ脚部材を付勢するような
弾力特性を有している。

使用状態で、力やトルクが及ぼされると、一般的な場合
、各アーム・脚部材接続部が変位し、各ボール継手での
変位量が検知される。実際には、検知板組立体を各ボー
ル継手の近傍に取り付け、各脚部材３２Ａ、　３２Ｂ、
　３２Ｃの軸と直角な平面状表面においてたわみ量を正
確に測定できるようにする。

グリップに及ぼされる力及びＩ・ルクの成分は各変位量
に基いて以下の式から計算できる。

Ｆｘ　＝Ｒ＋　　十Ｒｚ’　　　　Ｔｘ　＝　　Ｒ３Ｆ
ｖ　＝Ｒ：ｌ　＋　Ｒ４Ｔｙ　＝　　Ｒ５Ｆｚ　＝Ｒｓ
　＋　Ｒ６Ｔｚ　＝　　Ｒ１なおＦ、は１方向に及ぼさ
れる力、Ｔ、は゛■軸回りに及ぼされるトルク、Ｒ１−
Ｒ７は図示の各ボール継手の相対的な変位量である。

第４図は第２実施例の動作原理を説明するための略図で
あり、実際に具体化する場合には、第５図及び第６図に
示すような構造が採用される。

第２実施例の構造は複雑ではあるが、その構造を簡単に
説明するために、互いに直角な平面の内の１つの平面だ
けについて構造を説明する。第５図にはＸ−Ｚ平面が示
されており、Ｙ軸は図の紙面と直角である。実施例の装
置は、他の２つの直交平面についても、同様の構造及び
機能を有している。第５図及び第６図の実施例では、第
４図に示す構造と対応する部分については、同一の符号
が付しである。

第５図はボール状グリップ３０を通過する平面での軸方
向断面図である。ボール状グリップ３０は操作員の手に
馴染むように形成されている。蝶番部を形成する第４図
の取付軸３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃに代えて、それぞれ、
クランク状断面の軸３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃが使用され
ている。各軸はボール状グリップ３０の一方の側部に極
めて隣接した位置から延びており、アーム３３４．３３
Ｂ、　３３Ｃとなる部分を備えている。各軸はクランク
形状であるので、３個の互いに直角な軸がボールを直径
方向に貫通して互いに重なり合うことができ、そのため
に、ボール状グリップ内の軸受点４０において各軸端部
を回転自在に取り付けるごとができる。各軸の自由端部
はねじ４５及び座金４４により固定されており、部分球
状のキャップ４６が軸の自由端部を覆う状態でねじ４３
により固定しである。

各ボール継手３５には部分球状ボール部材３５Ａが脚部
３２Ａ　、　３２Ｂ　、　３２Ｃに取り付けた状態で設
けてあり、部分球状の窪みを有する先端部材３５１１が
各アーム３３Ａ、３３８．３３Ｃの端部に取り付けであ
る。脚部からはねじ付き延長部３５Ｃがボール継手を貫
通して延びており、第１の固定ナツト３８によりボール
継手が組み立てである。上記ねし付き延長部にはセンサ
ー組立体３９が取り付けてあり、第２のナツト４１によ
り所定位置に固定されている。

アーム３３Ｂの端部に取り付けたセンサー板組立体３９
は概ねＸ−Ｚ平面を延びている。センサー板３９は不透
明な材料であり、光依存型抵抗４７に向かう光源４２か
らの光を可変状態で部分的に遮るようになっている。

第４図〜第６図の実施例の各脚部の取付構造を第７図〜
第９図のように変更することもできる。

第７図〜第９図のそれぞれに示す１個の取付ユニットに
は、平面において真変位を行えるという一般的な特徴が
ある。なお、第４図〜第６図の構造では、変位動作が球
形の非常に小さい円弧において行われるので真平面運動
ではなく、測定結果に非常に僅かではあるが誤差が生じ
る。

第７図〜第９図には、脚部・アーム組合体３２Ａ。

３３＾に対応するボールグリップ取付部分が示されてお
り、同様の部分については同様の符号が付しである。

剛直な基礎板３４が剛直な取付部に固定された空間内で
移動しないようになっている。取付アーム３３八は回動
可能な状態で操作グリップ（図示せず）に連結しており
、弾性的に変位可能な取付脚部装置を介して基礎板３４
に連結している。上記アームに設けられるボール継手に
は、アーム３３八から延びて取付脚部装置の座部に係合
するボール３５八が設けである。この脚部装置には、ボ
ール３５＾用の座部を形成する概ね西洋梨形の剛体板３
２八と、第１組のばね脚部３６Ａと、剛直な連結ディス
ク３６Ｂと、第１組の脚部と平行に延びて基礎部３４に
連結する第２のばね脚部３６Ｃとが設けである。各組の
脚部は同一円周上に等間隔を隔てて交互に配置してあり
、複雑なばね構造体を形成している。板３２八と平行な
平面において取付アーム３３Ａが運動すると、３個のば
ね脚部３６Ａが弾性的に曲がって浅いＳ形となり、ディ
スク３６１１を介して反作用が生じるとともに、第２脚
部３６Ｃが弾性的に曲がって反対方向に同様のＳ形を形
成する。この様に、操作グリップ３０に力が及ぼされて
関連する平面でアーム３３八に変位が生じると、板３２
Ａが移動し、それに取り付けたシャッター３９八がそれ
と平行な平面上で移動する。変位状態は光源（図示せず
）からフォトダイオード４７への光の遮断の程度により
検知される。

第８図から明らかなように、シャッター３９には直角に
延びる作動縁部３９ａ、３９ｂが設けであるので、面上
での変位状態は２つの成分に分解される。シャッターは
、西洋梨形板３２Ａから剛体基礎部３４の孔を貫通して
延びる取付軸３９Ｃに取り付けてあり、剛体基礎部にフ
ォトダイオードが取り付けである。

第７図に最も明瞭に示す如く、弾性脚部３６八は、それ
ぞれ、ボス３６０を貫通して延び、又、該ボスは基礎部
３４の孔内を延びている。アーム３３Ａが過度に移動す
ると、１個以上のボスが対応する孔の壁面と係合し、そ
れにより、運動範囲が限度される。

第４図〜第６図の実施例に代えて、第１０図及び第１１
図に示すように取付アームを形成し、又第１２図及び第
１３図のように操作グリップを形成することもできる。

これらの実施例も動作原理は同一であるが、次のような
構造上の利点がある。

第１０図及び第１１図に示す如く、符号３３Ａで示す取
付アームは概ねＹ形であり、端部５０．５１．５２を有
している。端部５０には、横方向に延びる位置に、取付
端部（又は第９図に示すように板３２Ａ）に連結するた
めのボール３５Ａが設けである。端部５１の先端はＸ軸
に沿う貫通孔付きのスリーブ状先端部５Ｌａを形成して
おり、上記貫通孔はアーム５２の先端部を斜めに貫通す
る小径孔と並んでいる。

第１２図及び第１３図に示す操作グリップはプラスチッ
ク材料製で、球形ボール形頭部と円形基礎部３０ａとを
有しており、第１０図及び第１１図に示す形式の３本１
組のアームに連結されるようになっている。基礎板３０
ａには間隔を隔てて３個の傾斜孔３０ｂが、それぞれ、
面取り表面から装置のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って延びる
状態で設けである。それらに対応して３個の軸方向に並
ぶ孔３０ｃが球形頭部の頂部に設けである。第１２図は
Ｘ軸に沿う断面を示している。第１０図及び第１１図の
取付アームのアーム端部５１はボルトによりタップ孔３
０ｂに固定され、アームの端部５２は球形頭部の対応す
る内部孔３０ｄに挿入されてアームの先端部の傾斜孔が
固定ピンを収容するための孔３０ｃと並ぶ状態となる。

上記ピンは孔３０ｃに螺合しているが、アーム・端部５
２の傾斜孔には摺動可能な状態で嵌合している。これに
より、取付アームは、ボール形頭部との連結部において
、Ｘ軸回りでの回転がある限度内で自由であり、又、取
付脚部装置との連結部において、Ｚ軸回りでの回転が自
由である。この構成は概念的には第４図に示す、ものと
同様である。

従って、Ｘ軸に沿って球形頭部に変位力が及ぼされたり
、Ｘ軸回りにトルクが及ぼされた場合、アーム３３Ａに
併設した取付脚部３２Ａに変位が発生せず、何れの場合
でも、他の取付脚部が変位して運動が検知される。ボー
ル形頭部には、各アーム端部５２に対して隙間を形成す
るために、中央部に孔３０ｅが設けである。

（発明の効果）本発明は産業用ロボットの制御に適応することができ、
その場合には、操作員の手がグリップ３０を押したりね
じったりすることにより、それに対応する運動が各セン
サー板組立体に生じ、前述の計算式に基づいて及ぼされ
た力及びトルクを計算する。それによりロボットを制御
して対応する運動を行わせることができる。

本発明の更に別の有益な用途として、本発明実施例の能
力を利用して２個の部分に相対的に及ぼされる力やｌ・
ルクを検知・測定することもできるということがある。

具体的な例としては、編隊を組んで飛行する２機の航空
機を給油装置で連結する場合がある。本発明を継手に組
み込み、２機の航空機の間の相対的な並進力及びトルク
を非常に高い精度で検知・監視するように構成すると、
非常に高い精度で航空機の制御システムに自動補償機能
を発揮させ、力及びｌ・ルクを許容範囲内に納めるのに
必要な動作を行わせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の略図、第２図は球形操作
グリップの頂部を取り除いた状態で第１実施例の具体的
な形態を示す平面図、第３図は操作グリップの頂部を取
り除くとともに、中央平面の真上の中央部に於いてアー
ム構造体の前部を省略した状態で第１実施例を示す一部
切欠き側面図、第４図は取付構造体を操作グリップ装置
から外部側に向けた第２実施例の原理を示す斜視図、第
５図は装置のＹ方向に沿ってＸ−Ｚ平面で第４図に対応
する具体的な実施例を示す断面図、第６図は第５図の実
施例の平面図、第７図は第５図及び第６図の実施例の各
脚部を取り付けるための実施例構造の拡大図、第８図は
第７図の実施例の正面図、第９図は第７図の実施例の反
転状態での平面図、第１０図は第４図〜第６図のアーム
の３３Ａ、　３３Ｂ、　３３Ｃに対応して第１２図及び
第１３図に示す操作グリップに使用するための連結アー
ムの別の実施例の平面図、第１１図は第１０図の取付ア
ームの正面図、第１２図は第４図〜第６図と同様の方法
で機能する装置において第１０図及び第１１図の取付ア
ームに使用されるボール状操作グリップの軸方向断面図
、第１３図は第１２図に示す操作グリップの反転状態で
の平面図である。２−発光ダイオード（感知手段）、３・−フォトダイオ
ード（感知手段）、５−・シャッター（感知手段）、８
．３４−・固定基礎部、９．３０−　　ボディ、１０Ａ
。１０Ｂ、　ｌ０Ｃ−−・板ばね（弾性連結手段）　　、
３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ・−脚部材（弾性連結手段）、
３９−ツヤツタ−（感知手段）、４７・・−フォトダイ
オード（感知手段）。特　許　出　願　人　　ジョン　ニー、ヒルトンｌ入３
．〆ＦＩＧ、４ＦＩＧ、５ＦＩＧ、　６　　↓７Ｆｅｅ、　１１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）互いに直角なＸ、Ｙ、Ｚ軸についての指令信号を
発生させ、上記信号が、Ｘ軸及びＺ軸に沿う並進力なら
びにＸ軸及びＹ軸を中心とするトルクを表す信号である
力及びトルク変換装置において、力及びトルクが及ぼさ
れるボディ９、３０を設け、該ボディに弾性連結手段１
０Ｂ、１０Ｃ、３２Ｂ、３２Ｃを取り付けて、力及びト
ルクを受けて固定基礎部８、３４に対して変位するボデ
ィを付勢するようにし、Ｘ−Ｚ平面での並進力の各方向
成分ならびにＸ軸及びＹ軸を中心とするトルクの各方向
成分に対する連結手段の応答状態を検知するように感知
手段２、３、５、３９、４７を配置したことを特徴とす
る力及びトルク変換装置。
（２）Ｘ、Ｙ、Ｚ軸が交差する部分を固定基礎部８に設
け、連結手段に、Ｚ方向及びＹ方向に延びる弾性変形可
能な対構造のアーム１０Ｂ、１０Ｃを設け、各対のアー
ムを基礎部８の上記部分から互いに反対方向に延ばして
ボディ９に連結し、センサー手段２、３、５を各連結ア
ームの変位状態を検知してトルクや力を計算するための
信号を発生するように構成し、センサー手段を、Ｘ軸の
両側においてＺ方向に延びる連結アームの各位置におけ
るＸ方向の変位状態又はＹ軸回りのトルクを検知すると
ともに、Ｚ軸の両側においてＹ方向に延びる連結アーム
の各位置におけるＺ方向の変位状態又はＸ軸回りのトル
クを検知するように構成したことを特徴とする特許請求
の範囲第１項に記載の力及びトルク変換装置。
（３）Ｙ方向の並進力又はＺ軸回りのトルクに応答する
弾性変形可能な連結アーム１０ＡをＸ方向に延びる状態
で設け、該アームに併設される複数のセンサー要素を上
記センサー手段に設けたことを特徴とする特許請求の範
囲第２項に記載の力及びトルク変換装置。
（４）各連結アーム１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃをある限ら
れた範囲で自由に運動できる状態でボティ９の部分に係
合させるとともに、Ｘ軸方向のアーム１０ＡのＹ方向の
移動を拘束し、かつ、Ｘ軸回りの回転とＺ及びＸ方向の
移動を自由にし、Ｙ軸方向のアーム１０ＢのＺ方向の移
動を拘束し、かつ、Ｙ軸回りの回転とＸ及びＹ方向の移
動を自由にし、Ｚ軸方向のアーム１０ＣのＸ方向の移動
を拘束し、かつ、Ｚ軸回りの回転とＹ及びＺ方向の移動
を自由にしたことを特徴とする特許請求の範囲第３項に
記載の力及びトルク変換装置。
（５）上記ボディ９にハウジング部材を設け、その概ね
中心部に固定基礎部８の一部分を設けるとともに、該基
礎部の取付アーム３をハウジングを貫通させて外部へ突
出させ、上記弾性変形可能な連結アーム１０Ａ、１０Ｂ
、１０Ｃを上記固定基礎部８の上記部分からＸ、Ｙ、Ｚ
軸に沿って延ばして別々の位置においてハウジングに係
合させ、各連結アームにボール状先端部１１Ａ、１１Ｂ
、１１Ｃをハウジング内の対応するスロット１２Ａ、１
２Ｂ、１２Ｃと係合する状態で設けたことを特徴とする
特許請求の範囲第４項に記載の力及びトルク変換装置。
（６）各連結アーム１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを帯状ばね
部材で形成し、該帯状部材を各平面が互いに直角になる
状態でＸ、Ｙ、Ｚ方向に延ばしたことを特徴とする特許
請求の範囲第５項に記載の力及びトルク変換装置。
（７）それぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸に沿って延びる各対の連結
アームに併設されるセンサー装置を、上記アームの弾性
的変位量を監視できる状態で、上記センサー手段に設け
、各センサー装置に、電磁放射線源２から電子的電磁放
射線感知装置３への電磁放射線ビームを通常は部分的に
遮るシャッター要素５を設け、上記感知装置３を回路に
連結し、上記感知装置３の電気特性がそこに放射される
電磁放射線の量に応じて変化し、それにより、シャッタ
ー要素５の位置に対応するようにしたことを特徴とする
特許請求の範囲第６項に記載の力及びトルク変換装置。
（８）連結手段に３個の連結構造体を配列し、各連結構
造体に、ボディ３０から延びるアーム３３Ａ、３３Ｂ、
３３Ｃを設け、各アームを少なくともある一定の角度範
囲において全方向に作動可能な継手３５を介して、脚部
３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃに連結し、該脚部を通常の状態
で、アームの作動軸に概ね直角に延ばし、上記作動軸を
上記継手を通してＸ、Ｙ、Ｚ軸の交差点から延ばし、上
記脚部を固定基礎部３４に取り付け、センサー手段３９
、４７を各脚部での変位量を監視するように配置すると
ともに、Ｘ方向に長い脚部３３ＢがＺ方向の変位に応答
し、Ｙ方向に長い脚部３３ＡがＺ方向及びＸ方向の変位
に応答し、Ｚ方向に長い脚部３３ＣがＸ方向の変位に応
答するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１
項に記載の力及びトルク変換装置。
（９）連結手段に３個の連結構造体を配列し、各連結構
造体に、ボディ３０から延びるアーム３３Ａ、３３Ｂ、
３３Ｃを設け、各アームを、少なくともある一定の角度
範囲において全方向に作動可能な継手３５を介して、脚
部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃに連結し、該脚部を、通常の
状態で、アームの作動軸に概ね直角に延ばし、上記作動
軸を上記継手３５を通してＸ、Ｙ、Ｚ軸の交差点から延
ばし、上記脚部を固定基礎部３４に取り付け、センサー
手段３９、４７を、上記自在継手から固定基礎部へ各脚
部が延びる方向に対して直角な各平面での各脚部での変
位を監視するように配置したことを特徴とする特許請求
の範囲第１項に記載の力及びトルク変換装置。
（１０）上記ボディ３０にボール状要素３１を設け、各
連結アーム３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃをクランク形アーム
で形成し、各アームの一部により、対応する作動軸と直
角に延びる回転軸を中心にしてボディ３０にアームを取
り付け、上記アームのその他の部分をボール状要素の外
周部分から自在継手３５へ作動軸と直角な角度で延ばし
たことを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の力及
びトルク変換装置。
（１１）各取付アーム３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃが概ねＹ
形で、一端部から横方向に延びる部材３５Ａを有してお
り、該部材により対応する脚部との自在継手３５連結部
を形成し、他のアームの他端部にそれぞれ横方向孔５１
を同心に設けて細長い固定要素を介してボディ３０に回
動可能に取り付け、ボディの形状をボール状にして外向
きフランジ状の基礎部３０ａを設け、上記他のアーム５
１の１つを上記フランジ状基礎部３０ａに連結し、他の
アーム５２をボール状ボディ内の孔３０ｄに挿入し、各
Ｙ形アームの横方向孔の軸を装置のＸ、Ｙ、Ｚ軸上に位
置させ、上記軸をボール状ボディの概ね中心部で交差さ
せたことを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の力
及びトルク変換装置。
（１２）各脚部を弾性連結構造体で形成し、該構造体に
、取付アーム３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃと係合するための
自在継手部材を形成する板部材３２Ａと、板部材３２Ａ
に対して直角に延びる弾性脚部構造体３６Ａ、３６Ｂ、
３６Ｃとを設け、該弾性脚部構造体により、板部材を中
央位置に付勢して板部材をそれ自身の平面において弾性
的に変位できるようにし、センサー手段３９、４７を板
部材の平面と平行な方向での変位状態を監視するように
配置したことを特徴とする特許請求の範囲第９項ないし
第１１項のいずれかに記載の力及びトルク変換装置。
（１３）上記連結構造体に、空間内に固定される剛直な
基礎部材３４と、剛直な連結部３６Ｂと、剛体基礎部３
４から概ねそれと直角に延びる軸の回りで間隔を隔てて
通常は互いに平行に配列される複数の弾性ピンとを設け
、上記ピンに、装置の剛体基礎部３４と剛体連結部３６
Ｂとに固定される第１組の少なくとも３本のピンと、剛
体連結部３６Ｂから剛体基礎部３４の各孔を貫通して上
記板部材３２Ａに連結する第２組の少なくとも３本のピ
ン３６Ａとを設けたことを特徴とする特許請求の範囲第
１２項に記載の力及びトルク変換装置。
（１４）外部からの力を互いに直角な３本の軸Ｘ、Ｙ、
Ｚに沿う並進成分と、上記３本の軸の回りのトルク成分
とに変換するための装置において、力が及ぼされるボデ
ィ３０を設け、３個の連結部材３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ
をボディに取り付けて該ボディから各連結部材上の連結
点３５まで延ばし、ボディ９、３０が中央位置にある状
態で連結部材がボディの中心点から互いに直角に延びる
各基準軸Ｘ、Ｙ、Ｚに沿って位置するようにし、脚手段
３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを、動作範囲及び動作量が限定
された自在継手を介して上記連結点３５において各連結
部材に回動自在に連結し、連結部材を中央位置に向って
付勢する付勢手段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３６、３６
Ａ、３６Ｂ、３６Ｃを設け、各連結部材や各連結脚部の
変位状態を感知するためのセンサー手段３９、４７を設
けて、外部からの力の特性を測定するようにしたことを
特徴とする力及びトルク変換装置。