JPS62500682A - 力感知装置 - 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】 力感知装置 発明の分野 本発明は、力の位置、大きさ並びに方向を判断し、ロボット工学の分野で特定の 応用を行う力検出装置に関する。

ロボットは、今日の科学技術の分野において、プログラムされた機能を実行する 応答工具として、非常に急速にその重要性を増大している。しかし、ロボットは それらか実行する環境に対して特別に応答性が良いわけではない。例えば、現在 の発展段階においては、対象物あるいは力に接触してそれを感知し、高い信頼性 でそれが接触したもののかかる力の位置、大きさおよび方向をフィードバックす る能力を有するロボットは存在しない。この問題は大きな注目を浴び、その他の 多くの目的と並んで、タッチセンサを生みそれを発展させてきたが、今日までそ れらは判別成功したとは言えない。

本発明の目的の一つは、ロボットに使用するのに適した信頼性あるタッチセンサ 装置で、それが接触した力の位置、大きさおよび方向を判断可能な基準に適合す るタッチセンサ装置を供給することである。

本発明のその他の目的は、上述の基準に適合し、ロボット工学のみならず、その 分野の外部でも使用可能な融通性のあるタッチセンサ装置を供給することである 。例えば、そのような装置は、なかんずくコンピュータおよび計算機用のタッチ センサ装置として高い能力を有する。

位置と力を示すシステムは新規ではない。その多くはエコー信号、光線遮断、静 電容量変化、ワイヤ接触等を伴う。この分野を指向した従来技術の特許において 指摘されたように、今までに知られた異なる位置および／または力を示すシステ ムの中においては１判断されるべき地点、位置および大きさにかかる圧力を応用 することにより作動するものは、一般的に地点の位置を判断されるべき表面に固 定された非常に多数の圧力センサを必要とする。

一般的に、センサは前記表面の予め定められた地点に対応して位置決めされてい る。効果的に判断可能な位置のあり得る数はその表面が相持可能なセンサの数に 制約される。

参照されたいくつかのシステムは、相互に直角に置かれた上行なワイヤの２つの 層の間にはさまれた導電ウェハを採用し、Ｎ×Ｎの格子点を形成してＮの２乗の 出力を生じるものであった。４インチ四方の広さの望域全体で、許容可能な正確 度を達成するには、数千の出力を必要とした。

ベロノーの米国特許第３６５７４７５号により開示された発明は、静的力がかか った二次元の表面の座標を判断する位置表示システムを開発することにより非常 に多数の出力の問題を解決しようとした。それは、少なくとも３個の間隔を置い たセンサにより表面に固定された剛性の板を備えている。各センサは、力のかか った地点からのそれの距離に応じた出力信号を出した。該信号はそれから、３つ のセンサにより決定された２つの軸を参照して測定された、表面にかかる力の位 置の座標を示す２つの電圧を発生する電気装置により処理された。

ベロノーの発明はその分野でのパイオニアと考えられているが、該究明は、入力 の力が静的であり、２次元表面」二の力の地点の座標としてのみ測定され、力の 大きさは測定されず、なお２次元に制限されていた、という事実により制約され ていた。

ローバーの米国特許第４１２１０４９号により開示された発明は、この問題に力 の位置と大きさの両方を測定するシステムにより取り組み成果を示した。ローパ ーは３つの間隔を置いたセンサを採用し、これらのそれぞれは、かかった力に比 例した出力信号と力の座標の出力との両方を供給した。該信号は力とその座標を 計算するプロセッサに供給された。

本発明は、力の座標および大きさを同時に判断するのみならず、３次元の表面に おいてそれの方向をも判断する。

衾朋１鏝１示 本発明は、知られた形状の凸状表面を含む、その中心に同じ長さの４木の可撓性 アームを有する十字を備え、台座に取付けられた荷重セルは凸状表面にかかる力 から生じるひずみを受けてそれを４１１定する。可撓性の力伝達部材が凸状表面 および十字のアームに対称形に取付けられる。少なくとも２つのひずみゲージが 、相互に直角の平面にある凸状表面と十字のアームに固定され、それにより凸状 表面にかかる力と結果として生じる力のモメントが可撓性アームに伝達され、ゲ ージにより測定可能なひずみを生じる。該ゲージは、力の位置、大きさおよび方 向を計算するコンピュータに接続されている。

可撓性力伝達部材は十字を取巻く枠として形成可能であり、同じ長さの側面を有 している。十字のアームは枠の４つの側面の中点に取付けられ、枠の４つの隅は 凸状表面に取付けられている。

凸状表面は、その中へ自由に入り込み、はぼそれの中央で終端する台座を有する 中空の球である。そこには、球の運動量を制限する手段があり、それにより十字 のアームにかかるひずみの量を制限し、損傷を防ぐ。

十字のアームはそれぞれ相互に直角の平面にあって曲がるような構造を有し、こ の場合は、ひずみゲージの機構はそれに伝達される応力を測定するためそれぞれ の平面に関連している。

Ｚ皿り韮Ｊ 第１図から第３図までは、力の測定のためのねじれシステムを説明する図式的ダ イヤグラム。

第４図は、本発明の特徴を具現化した４感知装置の分解図。

第５図は、該装置に採用されている十字形の荷重セルの上面図。

第６図は、十字形の荷重セル用の一連の曲げモメントのダイヤグラム。

第７図は、本発明の代替的実施例の斜視図。

木　−る　−４ 本発明を更に良く理解するために、力測定システムがここに説明される。

第１図から第３図を参照して行われる０本体に作用する力とモメントのセットが 集合的にねじれと呼ばれる。２つの本体の間の接触を経て生じるねじれの範囲は 「ねじれシステム」により説明可能である。そのようなねじれシステムはＷ＝　 （Ｗｌ、Ｗ２．Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、）で表示され、Ｗｌ、Ｗ２、Ｗ３は、 Ｘ軸、ｙ軸、Ｘ軸にそれぞれ沿って生じる力である。同様に、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６ はＸ軸、ｙ軸、Ｘ軸にそれぞれ沿って生じるモメントである。

第１図に板に接触している地点が示されている。ねじれシステムは単ねじれシス テムＷ＝　（０，Ｏ，ｗ３　、Ｏ、Ｏ、Ｏ）から−成されている。該表面が摩擦 を有する場合、該地点は３つの方向すべてに力を作用させ、ねじれシステムは第 ２図のように（Ｗｌ、Ｗ２、Ｗ３．０．０．　０）となる、摩擦表面に接触して いる線は３つの方向すべてに力を生じ、２つの方向にモメントを生じる。そのた め、ねじれシステムは、第２図のように（Ｗｔ、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｏ，Ｗ６） となる、板に固定された平坦な表面はすべての方向に力とモメントを生じ、第２ 図のように完全ねじれシステム（Ｗｌ、Ｗ２．　Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５．Ｗ６）とな る。

作動の線および球の表面に作用する力の大きさは球の中央にかかる力とモメント を知ることにより判断される。第３図にあるように、力はＸ２、ｙ２、ｚ２の地 点において球にかがる。前述のように、摩擦表面上の力の点は接触点において３ つの独立した分力を伴つネじれ、Ｗ＝　（Ｗｌ、Ｗ２、Ｗ３．Ｏ，０，０）を生 じる。このねじれシステムは球の中央において以下の力とモメントのシステムを 生じる原因となる。

ａ４＝ｙ１ｗ３−ｚ１ｗ２ ａ５＝ｚ１ｗｌ−ｘ１ｗ３ ａ６＝ｘ１ｗ２−ｙ　１ｗ１ （ｘｌ、ｙｌ、ｚｌ）は感知システムの原点から力の作用する線までの力の作用 する線に対し直角のベクトルの分力である。上述の方程式を使用して地点（ｘｉ 、ｙｌ、ｚｌ）が判断される。

位置を発見するために接触はここでは幾何学的に判断される０作用線は地点（ｘ ｌ、ｙｌ、ｚｌ）を通過し球の表面を通過する。

力の繰作用に沿う任意の点の座標は以下の通りである。

ｄｌ＝Ｘｌ＋ｎＷ１／Ｆ ｄ２＝ｙｌ＋ｎｗ２／Ｆ ｄ３＝ｚｌ＋ｎｗ３／Ｆ Ｆは力の大きさであり、ａ”ｌ　＋　ａＬ２　＋　ａ”　３およびｎは任意の数 である。地点（ｘ２．ｙ２、ｚ２）は球の表面にあり、ｘ　＋ｙ＋ｚ”＝Ｒ：Ｌ 　により定義される。地点（ｘｉ、ｙｌ、ｚｌ）が球ｘｉ＋ｙ’　＋ｚ”　＝Ｒ ’内にある場合は、力の作用線は２点で球と交差する。地点（ｘ２、ｙ２．２２ ）の座標は作用の線の方程式を球の方程式ｄｌ＋ｄ２＋ｄ３＝Ｒへ代入すること により得られる。未知の変数ｎを解き方程式へ戻し代入すれば、交差する２地点 がわかる。力が球にかかるのではなく球の内部に作用すると仮定すれば、２地点 の１つは消去可能である。残る地点は座標Ｘ２、ｙ２、ｚ２である。

かくて、点接触を経て作用する力の位置、大きさおよび方向がすべて判断可能で ある。幾何学的変形を使用すれば、核力は直角および接線方向の力として表示可 能である。

これは、球あるいは周知の形状の凸状の表面がロボットの指先に使用される場合 に特に有益である。この情報により、ロボットの指は接触力の直角および摩擦分 力を判断可能となる。この知識は制御および形状認識に有益である。

上述の理論に従い作動するように設計された本発明の特徴を具現化した力および 接触感知装置が、第４図から第７図までを参照して説明される。

数学的に定義された周知の形状の凸状表面に力がかかる。第４図にあるように、 説明のために、該表面は球として開示され、力感知装置は分解図となっている。

核球は頂部あるいは「北側ｊ半）；ｉｌｏおよび低部あるいは「南側」半球１２ を備えている。両方の半球はアルミニウムの個体片から機械加工され、ねじ止め により組み立てられる。低部半球はねじ１４を有し、上部半球はそれに対応する ねじを有するが、それは図示されていない、　１８でほぼ示される荷重セルは中 空の球内に配置され、本発明の特徴に従い製造され、力とモメントの６つの分力 すべてを測定する。荷重セルは同じ長さのアームを有し、説明の目的だけのため に、十字形の部分１Ｂとして示しであるが、３本あるいは４本以上のアームを有 することも可能である。それについては以下に詳述する。十字部分あるいは十字 は、台座の直径よりも大きい低部半球内の穴２５を自由に通過して基盤２４から 上方へ突出している台座２２の上部表面２１の中央に取付けられている。

球の運動を制限し、それにより十字内の応力の量を制限する停止機構は、十字形 の荷重セルの下部に配置され、中央板２８を有する第２＋字形部材２Ｇを備え、 回転を防いでいる。十字形の形状の内部の板２８から外側へ伸長しているのは脚 ３０である０脚３０の下部にあるのは中央開口３３を有し球に固定されている板 ３２である。制限停＋ｈ部材３４は板３２上に配置され、組み立てられた形状に おいて１脚３０が隣接する一対の停止部材３４の間に伸長している。停市部月３ ４内のセットねじ３６が脚３０に係合して台座の周囲での球のひねり運動を制限 している。

覆い板４２も荷重セルの下部で球の内部に固定され、十字膨脂３０から上方へ伸 長しているセットねじ４４に係合して、垂直方向の球の移動の量を制限し、それ により荷重セルの応力が過度にならないようにする。

荷重セルは実際には、第４図にあるように、可撓性の力伝達部材内に配置された 可撓性十字を備えている。十字１８の中央は、台座２２の頂部に取付けられたハ ブ２０である。ハブから外側へ伸長しているのは、相互に直角な２つの平面内で 曲がるように構成されたアーム５０である。各アームは水平の板状部分５２と垂 直の板状部分５４とから構成されている。各十字の脚の各部分５２と５４とは、 それに取付けられた一対の応力ゲージを有している。一対のゲージ６０は水平部 分５２の対向する両側面に固定され、一対のゲージＣ２はアーム５０の垂直部分 の対向する両側面に配置されている。かくて、各脚ごとに２対あるいは４対の応 力ゲージがあり、合計１６個のゲージがある。もっと簡単な本発明の修正例にお いては、各脚に２個のゲージで十分である。

水平部分５２の頂部および底部表面に取付けられた一対の応力ゲージ６０は、垂 直方向に球にかかる力からの応力を測定し、脚５４の垂直部分に取付けられた一 対の応力ゲージ６２は水平にかかる力からの応力を測定する。

可撓性力伝達部材は、球と十字１日の両方に対称的に取付けられた枠６４である 。それは同じ長さの側面６６を有する矩形の枠とじて図示されている。矩形の枠 部材の隅６８はわずかに丸くなっていて１球に取付けられたリテーナ７０に堅固 に固定され嵌合している。十字のアーム５０は枠の側面８６の中点に取付けられ ている。

球にがかる力およびその力から生じるモメントは球の枠部材を経てアーム５０に 伝達され、その応力は応力ゲージにより測定可能である。荷重セルは球の中央に おいて力の分力６つをすべて測定可能である。

応力ゲージからのワイヤは十字１台座および基盤を経エピンコネクタへ通り、図 示されていないが、基盤の側面に配置されている。ここからセンサがケーブルに より１組の増幅機へ取付けられ、Ａ／Ｄコンバータを経てコンピュータへ接続し 、これが力の位置、大きさおよび方向を計算する。

次に第６図の図式的ダイヤグラムを参照すれば、十字形荷重セルのアームのそれ ぞれにある曲げモメントがここに説明される。

曲げモメントは十字のアームの表面に応力を発生させる。アームの水平部分５２ 上の応力の合計は垂直の力ａ３に比例する（第６ｃ図）、２つの対向する水平表 面の応力の差異が２つのモメントａ４とａ５とを生じる（第６ｄ図および第６ｅ 図）、対向する垂直部分５４の側面上の応力の合計が力ａ１およびａ２に比例す る（第６ａ図および６ｂ図）。最後にモメントａ６は十字形荷重セル（第６ｆ図 ）の対向する脚の垂直表面上の応力の差異により判断される。

これらの関係の要約は以下の方程式で与えられ、ｓｌがら５８までは応力でに１ からに６までは定数である。

ａｌ＝ｋｌ　（ｓ６＋５８） ａ２＝に２　（ｓ５＋５７） ａ３＝に３　（ｓｌ＋ｓ２＋ｓ３＋５４）ａ４＝に４　（ｓ２−ｓ４） ａ５＝に５　（ｓｌ−ｓ３） ａ６＝に６　（（ｓ５−ｓ７）＋　（ｓ６−ｓ８）本発明は力のかかる構成要素 として球を有する装置について説明されてきたが、この構成要素は周知の定義可 能な凸状の表面であれば良い、該形状は２つ以上の凸状表面の合成であっても良 い。第７図を参照すれば、そこには仮定的なロボットの指があり、これは台座８ ０、十字形の荷重セル９２、凸状ドーム９４、周知の定義可能な形状とこれも周 知の定義可能な形状の円筒形のスカートから成る。コンピュータをプログラムす るにおいては、凸状表面の定義だけが入力を必要とする。

浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、　５ Ｆ／６７ 浄書（内容に変更なし） 手続補正書（方式） １．事件の表示 ＰＣＴ／ＩＪＳ８５１０１５９５ ２、発明の名称 力感知装置 ３、補正をする者 事件との関係　出　願　人 住所 名　称　マサチューセッツ・インステチュート・オブ・テクノロジー ４、代理人 住　所　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６号室 ６、補正の対象 発明の名称及び出願人の代表者名を正確に記載した所定の書面委任状及訳文 タイプした明細同翻訳文　第１頁 国　際　ｔｌ　査　餠　失 １ＭＩＩＭａｌ１ｍｓｌ　ａｏａｕｍｌｅｓ　Ｍ。ＰＣＴ／’、：Ｓ　８５１０ １５９５−４−ＡＪＩＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＺＯＮＡＬ　５ ＥＡＲＣ！（ＲＥＰＯＲＴ　ＯＮ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）３次元表面において力の位置、大きさおよび方向を判断するための力感知 装置において、 固定された応力測定部材と、 周知の形状の可動な凸状表面と、 可動な凸状表面を固定された応力測定部材へ接続する可撓性力伝達部材とを備え 、 それにより凸状表面へかかる力と結果として生じる力のモメントとが測定可能な 応力を生じて応力測定部材へ伝達されるようになされた３次元表面において力の 位置、大きさおよび方向を判断するための力感知装置。
2. （２）３次元表面において力の位置、大きさおよび方向を判断するための力感知 装置において、 周知の形状の凸状表面と、 台座と、 台座に固定された可撓性アームと、 凸状表面とアームとに取付けられた可撓性の力伝達部材と、少なくとも２つの応 力ゲージが各アームに固定され、それにより凸状表面にかかりそれにより生じる 力のモメントとが可撓性アームに伝達され、ゲージにより測定可能な応力が生じ ることを特徴とする３次元表面において力の位置、大きさおよび方向を判断する ための力感知装置。
3. （３）３次元表面において力の位置、大きさおよび方向を判断するための力感知 装置において、 周知の形状の凸状表面と、 台座と、 台座に固定された可撓性アームを有する十字と、凸状表面と十字のアームとに取 付けられた可撓性の力伝達部材と、 少なくとも２つの応力ゲージが各アームに固定され、それにより凸状表面にかか りそれにより生じる力のモメントとが可撓性アームに伝達されゲージにより測定 可能な応力が生じることを特徴とする３次元表面において力の位置、大きさおよ び方向を判断するための力感知装置。
4. （４）３次元表面において力の位置、大きさおよび方向を判断するための力感知 装置において、 周知の形状の凸状表面と、 台座と、 台座にその中央を固定された同じ長さの可撓性アームと、ほぼ同じ長さのアーム を取巻き、アームと同じ数の側面を有する可撓性の力伝達部材と、力伝達部材の 側面に対称的に取付けられた前記アームと、前記凸状表面に対称的に取付けらた 力伝達部材の隅と、 少なくとも２つの応力ゲージが各アームに固定され、それにより凸状表面にかか りそれにより生じる力のモメントとが可撓性アームに伝達されゲージにより測定 可能な応力が生じることを特徴とする３次元表面においてカの位置、大きさおよ び方向を判断するための力感知装置。
5. （５）３次元表面において力の位置、大きさおよび方向を判断するための力感知 装置において、 周知の形状の凸状表面と、 台座と、 その中央を台座に固定された同じ長さの可撓性アームを有する十字と、 十字を取巻き、同じ長さの側面を揺する可撓性の力伝達枠と、枠の４つの側面の 中点に取付けられた十字のアームと、凸状表面に取付けられた枠の４つの隅と、 十字のアームのそれぞれに固定された少なくとも１つの応力ゲージと、 それにより球にかかる力とそれから生じるその力のモメントが可撓性のアームに 伝達され、応力ゲージにより測定可能な応力を生じることを特徴とする３次元表 面において力の位置、大きさおよび方向を判断するための力感知装置。
6. （６）３次元表面において力の位置，大きさおよび方向を判断するための力感知 装置において、 中空の球と、 球の内部を自由に通過し、ほぼその中央に終端する台座と、その中央を台座に固 定され球の内部にある同じ長さの可撓性アームを有する十字と、 十字を取巻き同じ長さの側面を有する可撓性の力伝達枠と、枠の側面の４つの中 点に取付けられた十字のアームと、球に取付けられた枠の４つの隅と、 それぞれの十字のアームに固定された少なくとも２つの応力ゲージと、 それにより球にかかる力とそれから生じるその力のモメントが可撓性のアームに 伝達され、応力ゲージにより測定可能な応力を生じることを特徴とする３次元表 面において力の位置、大きさおよび方向を判断するための力感知装置。
7. （７）アームに伝達される応力を制限する手段を有する請求の範囲第２項、第３ 項、第４項、第５項あるいは第６項に記載の力感知装置。
8. （８）各アームが相互に直角な２つの平面において曲がるように構成され、応力 ゲージ機構がそれぞれの平面に関連してそれに伝達された応力を測定する請求の 範囲第２項、第３項、第４項、第５項あるいは第６項に記載の力感知装置。
9. （９）応力ゲージが、力の位置、大きさおよび方向を計算するコンピュータに接 続されている請求の範囲第２項、第３項、第４項、第５項あるいは第６項に記載 の力感知装置。