JPS63286731A - ロボットの力覚制御装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、ロボットの指先などに作用する°力を検出し
て該ロボットを制御づるｈ覚制御装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 近年、精密組立作業や機械加工にａ３いて、各種のロボ
ットが開発されている。このロボットにおいて、指先に
作用する力を検出して該ロボットを力制御することは極
めて重要であり、この力を６軸方向に分けて検出する６
分カカ覚センサが提案されている。

そこで、この６分カカ覚センサの基本的原理について説
明する。第１１図に示すように、ロボットの手先に固定
され座標系（以下、ハンド座標系という。）をＱｈ　−
ｘ　ｙ　ｚとし、力覚センサ固有の座標系〈以下、セン
サ座標系という。〉を０ｓ−Ｘ　Ｖ　Ｚどし、センサ座
標系Ｏｓがらハンド座標系ｏｈに向うベクトルをセンサ
座標系Ｏ３で表わしたしのを７ｏ、ハンド座標系ｏｈの
ｘ、ｙ、ｚ軸方向を向く単位ベクトルをセンサ座標系Ｑ
ｓで表わし、第１列ベクトル、第２列ベクトル及び第３
列ベクトルとした直交行列をＸｏとする。そして、上記
ロボットの手先に加わる力及びモーメン［・はハンド座
標系ｏｈの原点に加わる力ｉｈ及びモーメンｔ−Ｆ３ｈ
としてハンド座標系ｏｈで表わされ、この力「ｈ及びモ
ーメントくｈは等測的にセンサ座（票系Ｏｓに加わる力
ぎＳ及びモーメント団Ｓに変換でき、次式に示すように
なる。

ぎｓ　＝、；ｏ　・ぎ１）　　　　　　　　　・・・［
１］ｐｓ　＝７：、ｏ　−ｉｈ　＋７ｏ　ｘ、ｑｏ　−
ｆｈ−［２］いま、力覚センサの弾性体に弾性歪が生起
したと仮定し、この歪を歪ゲージで検出すると、この歪
εｉ　　（ｉ　＝１．２．３．・・・、ｍ）と力ぎＳ及
びモーメントＦ：Ｊｓとの関係は次式で表される。

ｒ−ご工　　　　　　　　　　　・・・［３］ｉ１″′
旦Ｃ０９（ε１）ＥＲ’ 了−（ｆ　ｓ　Ｔ　ｐ　３　Ｔ　）　Ｔ　Ｅ　Ｒ８″：
歪ゲージの故 ご：コンブライアンス行列 従って、力覚の計測は、歪ぎの測定値と、式〔１コ〜［
３］とより力ｐｈ及びモーメントＦＪｈを求めればよく
、式［３コは次式のように表わされ、 下＝ご−１・ｒ　　　　　　　　　　・・・［４］ご−
１＝コンプライアンス行列どの逆行列となるので、力ｒ
ｈ及びモーメントｑｈを求めるには、コンプライアンス
行列どの逆行列を針線する必要がある。

一方、このコンプライアンス行列ごは、一般に極めて複
雑であり、逆行列を計算するには多大な時間を要する。

そこで、従来、力覚センサにおいては、上記コンプライ
アンス行列ごを簡単化（あるいは単純化）し、計算を容
易に得るために歪ゲージが多分力の１分力にのみ影響を
受けるように弾性体を設計していた。

すなわち、第１２図に示すように、４つの歪ゲージの抵
抗ｒｌ、ｒ２．ｒ３．ｒ４でホイートストンブリッジ回
路（以下、ＷＳブリッジ回路という。）を構成し、この
ＷＳブリッジ回路において、２端子間の電圧ＶがＯ（Ｖ
＝Ｏ）となるための平衡条件は次式で表わされ、 ｒ２／ｒ＋＝ｒ３／ｒ４・・・［５］ となり、各歪ゲージにおける抵抗’　＋　＋　ｒ　２１
　ｒ３、「４の抵抗値が△ｒ変化すると、電圧Ｖは次式
で表わされ、 Ｖ＝ｋ　−（△ｒ１−△ｒ２＋△ｒ３−△ｒａ）ｋ：比
例定数　　　　　　　　　　・・・［６］電圧Ｖとなる
出力を得ることになる。

そこで、第１３図に示すように、支持部材（１）に弾性
体（２）が連接されたものにおいて、該弾性体く２）及
び支持部材（１）に歪ゲージ９１゜９２を貼付し、この
歪ゲージ！７１１９２の抵抗を上記ＷＳブリッジ回路の
ｒ＋　、ｒ２とし、他の抵抗ｒ３＋ｒａを固定抵抗とし
て抵抗値変化△ｒ３゜△ｒ４がＯ（△ｒ３−△ｒ４−○
）となるように構成している。従って、上記ＷＳブリッ
ジ回路の２端子間電圧Ｖは、上記式［６］より、Ｖ＝ｋ
　　　−（△　ｒ＋　　　−△　ｒ　　２　　）　　　
　　　　　　　−［，７］となり、上記弾性体（２）に
モーメントＭが作用すると、このモーメントＭによって
変化覆るのは抵抗ｒ１のみとなり、電圧Ｖによりモーメ
ンｌ−Ｍが検出できるようにしている。更に、温度変化
による上記支持部材（１）及び弾性体（２）の伸び及び
縮みは、式〔７コにおいて歪ゲージｇｌ＋（］２の抵抗
ｒｌ、ｒ２の同相成分が打消され、温度補償がなされる
ようにしている。

また、第１４図に示すように、支持部材（１）に矩形状
の弾性体（３）を連接し、該弾性体（３）に長手方向の
中空部（４）を形成し、上記弾性体（３）の上面と下面
とに歪ゲージ！ｌ　Ｉ　＋　ｇ’２を貼付しているもの
がある。そして、上記歪ゲージｇ１、ｑ２の抵抗をＷＳ
ブリッジ回路の抵抗ｒｌ。

ｒ２とし、他の抵抗ｒ３．ｒａを固定抵抗とすると、上
記歪ゲージ’ＪＩ１ｇ２の抵抗値変化△ｒｌ。

△ｒ２は、軸方向力Ｆ　＋　＋上方向力Ｆ２．モーメン
トＭ及び上昇温度ｔの関数として、 △ｒ＋　＝に＋　　・Ｆ＋−に２　・Ｆ２−に３　・Ｍ
＋に、　　・ｔ　　　　　　　　・・・［８］△ｒ２＝
に、＋　　・Ｆ＋　十に２　ＩＩＦｚ　＋に３　−ｖ＋
に４　・ｔ　　　　　　　　・・・［９〕ｋ＋、に２．
に３．に４　：比例定数 と表わされる。この式［８］、［９］を上記式［７］に
代入すると、 ％””　　２ｋ　　（ｋ　２　・Ｆ２　＋ｋ　３−Ｍ）
　　＋＋　［１０］となる。更に、上記弾性体（３）は
定数に、、に２、に３．に４＞Ｏで、しかも、ｋ２３＋
に１．に３となるように構造的に設計されており、つま
り、上記式［４］におけるコンプライアンス行列の逆行
列ご−１を簡単化する構造になっており、上記式１式％
］ ［１１］ となる。よって、上記に４　・もの項が消去されて温度
補償がなれさると共に、電圧Ｖにより上方向力Ｆ２が検
出できるようにしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、第１３図及び第１４図に示す力覚センサ
においでは、１分力のみ影響されるように弾性体（２＞
、（３）の構造を設計する一方、４　ａ補償を行うため
にＷＳブリッジ回路を構成しており、構造上において、
種々の設計的制約を受け、その上、加工が複雑となり、
コストアップの一要因となっていた。つまり、上記式［
３］におけるコンプライアンス行列ごを簡単化するため
に弾性体＜２＞、（３）の構造が？！２雄となり、汎用
性に乏しく、各種のロボットに適用し難いという欠点が
あった。

本発明は、斯かる点に鑑み、ホイートストンブリッジ回
路の出力が非干渉化行列となるようにし、該ホイートス
トンブリッジ回路が温度補償やゲインを大きくする他、
弾性体の変位力に対応した信号を出力するようにしてロ
ボットを力制御することを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明が講じた手段は、第
１図及び第３図に示すように、力が作用する作動部位（
１０６）が支持部位（１０５）に連接され、該作動部位
（１０６）を力制御するようにしたロボットを前提とし
ている。

先ず、上記作動部位（１０６）と支持部位（１０５）と
の間には該作動部位（１０６）に作用する力によって歪
が生じる対称構造の弾性体（２１）が設けられている。

そして、該弾性体（２１）には該弾性体（２１）の歪を
電気的抵抗値変化として検出する複数の歪検出手段（ｇ
）が段けられている。更に、該歪検出手段（Ｑ　）によ
りホイートストンブリッジ回路（ＷＳ＞が構成されてい
る。

加えて、該ホイートストンブリッジ回路（ＷＳ　＞には
出力を増幅づる増幅器（Ｚ）が接続されている。そして
、上記ホイートストンブリッジ回路（ＷＳ＞の伝達行列
汀と増幅器（Ｚ）のゲイン行列Ｗとの積が上記弾性体（
２１）に作用する変位力下と歪ｒとの関係を定めるコン
プライアンス行列ごの一般化逆行列ご−になるように上
記弾性体（２１）の形状、歪検出手段（９）の位置及び
増幅器（Ｚ）の増幅率が設定された構成としている。

（作用） 上記構成により、本発明では、弾性体（２１）に力やモ
ーメントが作用して該弾性体（２１）が歪むと、該歪を
歪検出手段（ｇ）が電気的抵抗値変化として検出する。

そして、該歪検出手段＜ａ　＞の抵抗値変化よりホイー
トストンブリッジ回路（ＷＳ）及び増幅器（Ｚ）を介し
て力及びモーメントに対応した電圧を出りして該力及び
モーメントを検出し、ロボットの指などの作動部位（１
０６）を制御する。

従って、上記ホイートストンブリッジ回路（ＷＳ）の出
力が非干渉化行列となり、温度補償やゲインの他、弾性
体（２１）の変位力を検出できるので、ロボットの力制
御を容易に行うことができる。

また、伝達行列ぎとゲイン行列−の積がコンプライアン
ス行列の一般化逆行列ご−となるので、弾性体（２１）
の構造や加工を容易にすることができると共に、演算処
理を容易に行うことができ、実時間で力計測を行うこと
ができることから、口ポットを瞬時に制御することがで
きる。更に、弾性体〈２１）が多様性を右するので、各
種のロボットに応じた形状のセンサを設定することがで
きる。

〈実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図に示すように、（１０１）は精密組立作業などを
行うロボットの手であって、部平（１０１）には指先に
作用する力及び七−メントを検出する６分カカ覚センサ
（１１）が設けられている。

そこで、先ず、該６分カカ党セン１ノ（１１）について
説明すると、第２図及び第３図に示すように、該６分カ
カ覚セン′ＩＪ（１１）は、弾性体〈２１）に歪検出手
段である２４個の歪ゲージ（９１）〜（ｇ２．ｌ）が貼
付されると共に、該歪ゲージ（ｇｌ）〜（（＋２４）に
制御回路（３１）が連繋されて構成されている。

上記弾性体（２１〉は、中空矩形体の枠部材（２２）が
形成され、該枠部材（２２）の−開口面（第２図におい
て前面）の中央に横部＋Ａ（２３＞が左右両端に亘って
設けられると共に、他の間口面（第２図において背面）
の中央に縦部材（２４）が上下両端に亘って設けられて
構成されている。

更に、上記弾性体（２１）は、横部材く２３）及び縦部
材（２４）の中心線に対して対称構造に形成されている
。

上記２４個の歪ゲージ（！］１）〜（（１２，ｌ）は、
上記枠部材（２２）における左側板（２２ａ）。

右側板（２２ｂ）、上面板（２２Ｃ）及び下面板（２２
ｄ）と横部材（２３）と縦部材〈２４）とに貼付されて
おり、該左側板（２２ａ　＞及び右側板（２２ｂ　）に
あっては上部及び下部における外面及び内面に、上記上
面板（２２ｃ）及び下面板（２２ｄ）にあっては左右両
側部における上面及び下面に、上記横部材〈２３）にあ
っては両側部に２つ宛外面及び内面に、上記縦部材く２
４）にあっては上部及び下部における外面及び内面にそ
れぞれ歪ゲージ（ｇｌ）〜（（１２４＞が貼付されてい
る。尚、第２図のハツチングは歪ゲージ（ｇｌ）〜（ｇ
２４）が内面と外面とに貼付されていることを示してい
る。そして、上記各歪ゲージ（ｇｌ）〜（ｇ２４）は横
部材（２３）と縦部材（２４）との中心線に対して対称
位置に設けられている。

一方、上記各歪ゲージ（（Ｉｔ）〜（ｇ２４）は、６つ
のＷＳブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路＞（
ＷＳｌ）〜（ＷＳ６”）を構成しており、各ＷＳブリッ
ジ回路（ＷＳ　１　’）〜（ＷＳ６）の２端子間にはＩ
Ｒ源（３０）が接続されると共に、他の２端子間はそれ
ぞれ増幅器（Ｚ＋　）〜（Ｚ６）に接続されている。イ
し−Ｃ１Ｃ１上記ＷＳプリツ路（ＷＳ　１　）〜１ｓ６
）の伝達行列ぎと各増幅器〈Ｚｌ）〜（Ｚ２）のゲイン
行列Ｗとの槓（σ・憩）が前記式［４］に示すコンプラ
イアンス行列どの一般化逆行列ご−となるように上記弾
性体く２１）が形成されると共に、各歪ゲージ（ｇ１〉
〜（＋１２４）が貼イ・」されて、且つ各増幅器（Ｚｌ
）〜（Ｚ６）の増幅率が設定されている。

一方、上記各増幅器（Ｚｌ）〜（Ｚ６）の出力は制御回
路（３１）のマルチプレクサ（３２）に入力されてデー
タの選択が行われた後、Ａ／Ｄ変換器（３３）でデジタ
ル信号に変換されてＣＰＵ（３４）に入力されている。

そして、該ＣＰｔＪ（３４）で演算処理等が行われた後
、該ＣＰＵ（３４）の出力信号は、ラッチ回路（３５）
で一時記憶され、各Ｄ／Ａ変換器（３６）、（３６）。

（３６）でアナログ信号に変換され、増幅器（３７）、
（３７）、（３７）で増幅された後、各モータ（３８）
、（３８）、＜３８）が制御されるように成っている。

次に、本発明の最大の特徴であるコンプライアンス行列
どの一般化逆行列ご−に構成する点について説明する。

前記式［３］における歪ぎを全Ｗｓブリッジ回路の出力
電圧ワとして測定すると、この電圧ゾは、Ｑ＝　（Ｖ＋
　、　Ｖ２　、−、　Ｖｎ　）　”　　　−［１２］ｖ
ｉ　：各ＷＳブリッジ回路の出力電圧ｎ：ｗｓブリッジ
回路数（本実施例では６つ）であり、次式のように表わ
され、 ワーぎｒ＝百ごＴ　　　　　　　　　・・・「１３」ｇ
：ｗｓブリッジ回路の伝達行列 となる。従って、変位力王を求めるには、Ｔ＝（百ご）
″・マ　　・・・［１４］〈ぎご）”：（百ご）の擬似
逆行列（児玉慎三。

須田信英著［システム制御のためのマトリクス理論（第
２版）」計測自動制御学会発行参照〉 となり、行列（鍔ご）が６×６の正方行列であれば、（
百ご）”−（百ご）−１となる。

次いで、各ＷＳブリッジ回路にそれぞれ増幅器を接続し
て増幅すると、上記式［１３］は、マ＝留百ｃＴ　　　
　　　　　　　　・・・［１５］Ｗ：増幅器のゲイン行
列 となる。従って、伝達行列ぎを従来のように温度補償と
して用いるのではなく、次式に示すように、Ｗぎ＝ご−
　　　　　　　　　　　　・・・［１６］となるように
コンブライ・ランス行列ごを設計することにより、上記
式［１５］は、 ゾ＝王　　　　　　　　　　　　　・・・【１７１とな
り、上記式［１４］のような演算を必要としないことに
なる。上記式［１６］におけるσ−はコンプライアンス
行列どの一般化逆行列である（詳細は、児玉慎三、須田
信英著　「システム制御のための７トリクス理論（第２
版）」発行　計測自動制御学会参照）。このコンプライ
アンス行列どの一般化逆行列ご−は、コンプライアンス
行列ごに対して一義的に決まるものではなく、多様性が
あることが特徴であり、逆にいうなれば、上記式［１６
］を成立させるコンプライアンス行列ごに対しても多様
性があり、九覚センサの弾性体に対し、構造的制約が少
ないことになる。モして、このコンプライアンス行列ど
の一般化逆行列ご−は弾性体の構造や歪ゲージの位置な
どに対称性があると針環が容易となる。

そこで、第２図に示すように、弾性体（２１）を形成す
ると共に、歪ゲージ（ｇ＋）〜（９２４）を貼付したも
のであり、この力覚センサ（１１）においてコンプライ
アンス行列ごは解析的に次のように表わされる。

そして、各成分は、 ａ＋＝ｏ、９３０　　　ε２＝ｏ、０３７２　　ε３＝
ｏ、３９１ａ＜＝　０．０３７２　　ａｓ＝　０．９３
０　　　ａｅ−０，３９１ａ７−０．４１９　　　ａｓ
＝ｏ、９１７　　　ａｓ＝−０，９７７８＋ｏ＝−０，
７８７ａｎ＝−０，９７７８＋２＝−０，７８７８＋ａ
＝　０．９３０　　８ｔ４＝　０．０３７２　８＋ｓ＝
　０．３９１となる。

そこで、上記コンプライアンス行列ごを前記式［３］に
代入して各歪ゲージ（９１）〜（ｌＪ２４）の歪ε１〜
ε２４を求めると次のようになる。

ε１＝−ａＩ　　ｍｆ＋−ａｚ’ｆ２　ａ３”Ｎｓε２
＝ａｌ　１１ｆ１＋ａ２　ＩＩｆ２−ａ３ＩＩＮ３ε３
；−ａＩ　＃ｆＩ＋ａ２ａｆ２＋ａ３　・Ｎ３６＜＝ａ
＋　　・ｆ＋−ａ２　・ｆｚ＋ａｚ　・Ｎ３５ｓ　　　
＝ａａ　　　壷　ｆ　　　ｒ＋ａ　　　５　　　・　ｒ
　　２　　　＋ａｓ　　　ＩＩ　Ｎ５６６−ａ＜　　Ｉ
Ｉｆ＋−ａｓ　　ｆｚ−ａｓ　・Ｎ３Ｅ、ｙ　　＝−ａ
４伊ｆ　　１＋ａ　　ｓ　　・ｆ　　２　　　ａｓ　　
”Ｎ５Ｅ８＝　　　ａａ　　・ｆ　　＋　　　Ｉ５　　
・ｆ２　　＋ａ６　　・Ｉ’４３６ｇ　　＝ａ　　ｙ　
　會ｆ　　３　−ａ　　ａ　　’　　Ｎ＋ε＋ｏ　　＝
−ａ　　７　　φｆ　　３　　＋ａ　　ｓ　　ｊＮ＋Ｅ
ｎ　　＝ａ　　ｙ　　　ｆ　　３　　＋ａ　　Ｂ　　°
　Ｎ１ε１２＝−ａ　　ｙ　　Ｉｆ　　３　−ａ　　ｓ
　　・Ｎ＋ε１３　４８ｇ　　９ｆ　　３−ａｇｏ　　
ＯＮ＋ε１４＝−ａ　　９　・　ｆ３　　＋ａ＋ｏ　　
・　Ｎ＋ε＋ｓ　　＝　−ａ　　９・ｆ　　３−ａ　　
ＩＱ　　・Ｎ＋６＋６　＝ａ　　９　・　ｆ　　３　　
＋ａ＋ｏ　　ｊ　Ｎ＋ε１７２ａ　Ｉ１　＠　ｆ　３−
ａ　１２　Ｉｌ　ＮｚＥ１３＝−ａｎ　　９ｆ　　３　
　＋ａ＋２　・Ｎｚ、Ｅ１９＝−ａ　　ｕ　　・ｆ　　
３　−８　１２　−Ｎｚε２０２ａ　Ｉｌ　ｌｌ　ｆ　
３　＋ａ　Ｉ２　＠　Ｎ２６２１−−ａ　　１３　９ｆ
　　＋　　−ａ　１４　　Ｉｆ　　２　−ａ　　＋ｓ　
　°Ｎ３ε２２＝−ａ　１３　　Ｉｆ　　＋　　＋ａ　
１４　　°ｆ２＋ａ＋ｓ　　＠Ｎ３εｎ　＝ａ　１３　
・　ｆ　Ｉ　＋ａ　Ｉ４　・　ｆ　２−ａ　１５　・　
Ｎ３６ｕ＝８　１３　　・ｆ　　＋　　−８１４・ｒ　
　２　　＋ａ　　＋ｓ　　・Ｎ３次に、各歪ゲージ（ｇ
＋）〜（９２４）の抵抗値変化△ｒ１〜Δｒ　２４がそ
れぞれ歪ε１〜ε２４に比例すると、 △ｒｉ＝ｋｏ−εｉ　　　　　　　　　　　−［１９］
となり、各歪ゲージ（ｇｌ）〜（ｇ２４）でＷＳブリッ
ジ回路（ＷＳｌ）〜（ＷＳ　６　）を構成しているので
、前記式［６］に代入すると、各ＷＳブリッジ回路（Ｗ
Ｓ　１　）〜（ＷＳ　６　）の出力電圧■１〜ｖ６は、
次のようになる。

■＋＝−４・ｋ−ｋＯ・ａｌ　・ｆＩ Ｖ２　＝４　・ｋ　　ｋｏ−ａ　ｓ　　・ｆ　２Ｖ３−
−４　・ｋ　　ｋ　Ｏ・ａ　ｙ　・ｆ　３Ｖ４　＝−４
に−ｋｏ−ａｔｏ−Ｎ＋　　　　−［２０］Ｖｓ　＝−
４ｋ　−ｋｏ−ａ　＋ｚ　・ＮｚＶａ　＝−４ａｋ・ｋ
ｏ−ａｇｏ　−Ｎｇこの式［２０］は、 蒐 となる。

従って、上記ＷＳブリッジ回路（ＷＳ　１　）〜＜ＷＳ
６）は出力が入力に対して線形となる非干渉化行列を構
成し、上記式［１６コである蕾百＝ご−となるようにゲ
イン行列留＝ｄｉａｇ（Ｗｉ　＞θＲＧ×６　（Ｗｉは
各増幅器のゲイン）が調節されてＩ５す、しかも、上述
の如く留百−ご−となるように弾性体（２１）の構造及
び歪ゲージ（ｇｌ〉〜（＋１２４）の貼付位置が設定さ
れている。

次に、この６分カカ覚センサ（１１）の検出動作につい
て説明する。

先ず、弾性体（２１）に変位ノｊである力ｆ１〜ｆ３及
びモーメントＮ１〜Ｎ３が作用すると、該弾性体（２１
）が歪ε１〜ε２４を生起することになる。この歪ε１
〜ε２４は歪ゲージ（ｇｌ）〜（ｇ２４）により電気的
抵抗値変化Δｒ１〜△ｒ　２４として検出される。

そして、上記歪ゲージ（Ｇ　＋　）・〜（ｇ２４）の抵
抗はＷＳブリッジ回路（ＷＳ　１　”）〜（ＷＳ６）を
構成しており、しかも、ＷＳブリッジ回路（ＷＳｌ）〜
（ＷＳ　６　）の出力が非干渉化行列を構成するので（
式［２１］参照）、各ＷＳブリッジ回路（ＷＳｌ）　〜
（ＷＳ６）（７）出力電圧ｖ１〜■６を増幅器（Ｚ＋　
）〜（Ｚ６）で増幅すると、出力電圧ｖ１〜ｖ６が弾性
体（２１）に作用する力ｆｌ〜ｆ３及びモーメントＮ１
−Ｎ３に対応することになる（式［１７］参照）。

この出力電圧ｖ１〜ＶＢはマルチプレクサ（３２）及び
Ａ１０変換器（３３）を介してＣＰＵ（３４）に入力さ
れ、該ＣＰＵ（３４）の制御信号はラッチ回路（３５）
、Ｄ／Ａ変換器（３６）。

（３６）、（３６）を介して増幅器＜３７）。

（３７）、（３７）に入力し、該モータ（３８）。

（３８）、（３８）が制御されることになる。

上述のにうに６分カカ覚センサ（１１）によれば、第１
１図に示すハンド座標系の力ｐｈやモーメントＦ：Ｊ１
１をＷＳブリッジ回路（ＷＳＩ）〜（ＷＳ２）の出力に
より検出することができるので、ロボッ１〜の力制φ０
を正確かつ迅速に行うことができる。また、上記式［１
６１に示すように、コンプライアンス行列ごの一般化逆
行列ご−に多様性があるので、弾性体（２１）の構造が
簡単となり、加工も容易となることから、コストダウン
を図ることができる。

更に、上記式［１７］に示すように、マー下となるから
、複雑な演緯処理を行う必要がなく、実時間で変位力Ｔ
を計測することができる。その上、弾性体（２１）の構
造を多様性のあるものとすることができるので、用途に
応じた形状のセンサを設計することができる。

次に、上記式［１６］を成立させる具体的な弾性体（２
１）の形状及び歪ゲージ（ｇり〜（（＋２４）の貼付位
置について説明する。

第４図〜第７図に示すように、枠部材（２２）の外形寸
法は２４１１１ｍｘ２４ｍｍで、幅寸法は４ｍｍ。

厚さ寸法は０．４９±０．０１１１１ｍに形成されてい
る。上記横部材（２３）及び縦部材（２４）の幅寸法は
４ｍｍ、厚さ寸法は０．８±０．０１ｍｍで、枠部材（
２２）よりの突出量はＱ、５ｍｍ又は１゜Ｏｒａｍ（枠
部材（２２）の開口面では横部材（２３）及び縦部材（
２４）の内面までの突出量）に形成されている。更に、
上記横部材（２３）及び縦部材（２４）の中央には取付
部材（２５）、（２５＞が直交方向に設けられ、該取付
部材（２５＞。

（２５）の長さ寸法は１０ｍｍ、幅寸法は４ｖｎ、厚さ
寸法は２ｍｍで、中央に直径２ｍｎ＋の丸孔（２６）が
、両側に３　ｍｍ１ｉ！１ＩｆＪ４して直径２ｍｍのネ
ジ孔（２７）、（２７＞が穿設されている。

一方、各歪ゲージ（ｇ＋）〜（＜１２４＞の貼付位置は
、枠部材（２２）では中央より８．５ｍｎ＋離隔した点
で、横部材（２３）では中央より５．５ｎ＋＋ａと１０
，５ＩＩ１ｍｆｉｌ隔した点で、縦部材（２４）では中
央より１０．５ａ＋ｍ離隔した点である。

第８図および第９図は、他の弾性体（４１）。

（５１）を示しており、第８図の弾性体（４１）は、１
つのリング部材（４２）に２つの半円弧状の半リング部
材（４３）、（４４）が両側に、且つ９０麿位相が異な
る状態で取付けられて構成されている。更に、該弾性体
（４１）は各半リング部材（４３）、（４４）の中心線
に対して対称に形成されている。また、第９図の弾性体
（５１）は、大径リング（５２）と小径リング（５３）
とが十字上に配設された４つのスポーク材（５４）。

（５５）、（５６）、（５７）で接続されて成り、該ス
ポーク材（５４）、（５５）、（５６）。

（５７）の中心線に対して対称に形成されている。

そして、上記各弾性体（４１）、（５１）には、図示し
ないが、歪ゲージが貼付され、上記式［１６］’に示す
ように留σ−σ〜になるように設定されている。

次に、上記６分カカ覚センサ（１１）を適用したロボッ
トについて説明する。

第１図に示すように、精密組立作業などを行うロボット
の手（１０１）には指（１０２＞、（１０２）、・・・
が設けられており、該指（”１０２）の間で物体（１０
３）を挟持でるように成っている。

そして、上記指（１０２）は基端部位（１０４）。

中間部位（１０５）及び先端部位（１０６）が順に関節
（１０７）を介して連接されて成り、上記中間部位（１
０５）と先端部位（１０６）との間の関節（１０７）に
上記力覚センサ（１１）が設けられている。更に、上記
手（１０１）には腕（１０８）が連接され、部平（１０
１）と腕（１０８）との間に上記力覚センサ〈１１〉が
設けられている。そして、該力覚センサ（１１）は弾性
体（２１）の取付部Ｕ　（２５＞にて名指（１０２＞等
に取付けられており、該力覚センサ（１１）に対して中
間部位（１０５）が支持部位に、先端部位（１０６）が
作動部位になり、また、腕（１０８）が支持部位に、手
（１０１）が作動部位に成っている。

従って、第３図に示すモータ（３８）によって指＜１０
２）等を作動し、物体（１０３）を挟持しＪ：うとする
と、先端部位（１０６）に作用する力［１〜「３及びモ
ーメン１−Ｎ１〜Ｎ３を力覚センサ〈１１）が検出する
と共に、手（１０１）に作用する力［１〜［３及びモー
メントＮ＋〜Ｎ３を力覚センサ（１１）が検出すること
になる。そして、各力覚センサ（１１）は上述した如く
力ｆ１〜ｆ３及びモーメントＮ１〜Ｎ３に対応したＷＳ
ブリッジ回路（ＷＳ　１　）〜（ＷＳ　６　）の出力電
圧ｖ１〜■６を利用してモータ（図示省略）を作動し、
指（１０２）及び手（１０１）を力制御する。よって、
上述した如くロボットの手（１０１）及び指〈１０２〉
を正確かつ迅速に行うことができると共に、ロボットを
安価に製作することができる。また、１つの力覚センサ
（１１）を各種のロボットに適用して該ロボットをａ、
ＩＪ　ｉＩＩすることができる。

第１０図は、他のロボットを示しており、基本部材（２
０１）に連動手段（２０２＞を介して３つのハンド部材
（２０３）、（２０３）、（２０３）が連接され、該各
ハンド部材（２０３）（２０３）、（２０３）にアーム
部材（２０４）。

（２０４）、（２０４＞が連接されて構成されている。

そして、該アーム部材（２０４）は支持材（２０５＞の
先端に力覚センサ（１１）を介して接触材（２０６）が
連接されて構成され、３つの１と触材（２０６＞、（２
０６＞、（２０６＞間で物’：、　（２０７）を挟持す
るようにしている。尚、−の第１０図のロボットにおい
ては支持Ｕ　（２０５）が支持部位に、接触材（２０６
＞が作動部位になっている。

従って、物体（２０７＞を挟持しようとすると、接触材
（２０６＞、（２０６）、（２０６＞に力ｆ　、　−ｆ
　３及びモーメントＮ１〜Ｎ３が作用し、この力ｆ１〜
ｆ３及びモーメントＮ＋”Ｎ３を力覚センサ（１１）、
（１１）、（１１）が検出して、連動手段＜２０２）の
モータを制御することになる。

尚、本発明における弾性体は、実施例に限定されるもの
ではなく、しかも、歪ゲージの数及び貼付位置も実施例
に限定されず、要するに式［１６］を充足するちのであ
ればよい。

また、制御回路（３１）も実施例に限られるものではな
く、例えば、モータの数も４つ以上であってもよいこと
は勿論である。

更に、実施例は６分カカ党センナ（１１）について説明
したが、本発明は３分力など多分力力覚センサに）８用
することができる。

更にまた、本発明のロボットの力覚制御装置は第１図の
基端部位（１０４）と中間部位（１０５）との間に力覚
センサ（１１）を設けてもよく、要するに制御しようと
する作動部位と支持部位との間にノ〕覚センサ（１１）
を設けて力制御するようにすればＪ：り、ロボットも実
施例に限られるものＣはない。

（発明の効果） 以上のように、本発明のロボットの力覚制御装置によれ
ば、ホイートストンブリッジ回路の伝達行列と増幅器の
ゲイン行列との積がコンプライアンス行列の一般化逆行
列となるようにしたために、ホイートストンブリッジ回
路の出力により弾性体における多分力の変位力を検出す
ることができるので、ロボットの力制御を容易に行うこ
とができる。

また、弾性体の構造及び加工を容易にすることができる
ので、コストダウンを図ることができ、ロボッ１〜を安
価に製作することができる。その上、複雑な演算処理が
不要となり、大時間で力計測を行うことができるので、
ロボッ！〜を瞬時に制御することができる。更に、弾性
体の構造に多様性があるので、各種のロボッ１−に応じ
た形状のセンサを設計することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第１２図は本発明の実施例を示し、第１図はロ
ボットの斜視図、第２図は６分カカ覚廿ンサの概略構成
図、第３図は同回路ブロック図、第４図は弾性体の斜視
図、第５図は同正面図、第６図は同平面図、第７図は同
側面図である。第８図及び第９図は他の弾性体を示す斜
視図である。 第１０図は力覚センサを用いたロボットの斜視図である
。第１１図は力覚センサの原理図、第１２図はホイート
スＩ〜ンブリッジ回路の回路図である。 第１３図及び第１４図はそれぞれ従来例を示す力覚セン
サの斜視図である。 （ｇｌ）〜（ｇ２４）・・・歪ゲージ、（ＷＳｌ）〜（
ＷＢ２）・・・ＷＳブリッジ回路、（Ｚ＋）〜（Ｚ６）
・・・増幅器、（１１）・・・６分カカ党センサ、（２
１）、（４１）、（５２）・・・弾性体、（２２）・・
・枠部材、（２３）・・・横部材、（２４）・・・縦部
材、（１０１）・・・手、（１０２＞・・・指、（１０
４）・・・基端部位、（１０５）・・・中間部位、（１
０６）・・・先端部位、（２０５）・・・支持材、（２
０６）・・・接触材。 特　許　出　願　人　ダイキンエ梨株式会社代　　　　
　理　　　　　人　　　前　　１）　　　　弘１゛、・
、バ（ 一：１層穂１ 第１図 第５図 第６図 第７図 第８図 第　９　図 第１４図 第１０１ｍ （力を亡ン−１） 第１１図 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）力が作用する作動部位（１０６）が支持部位（１
   ０５）に連接され、該作動部位（１０６）を力制御する
   ようにしたロボットにおいて、上記作動部位（１０６）
   と支持部位（１０５）との間に介設されて該作動部位（
   １０６）に作用する力によって歪が生じる対称構造の弾
   性体（２１）と、該弾性体（２１）に設けられて該弾性
   体（２１）の歪を電気的抵抗値変化として検出する複数
   の歪検出手段（ｇ）と、該歪検出手段（ｇ）により構成
   されたホイートストンブリッジ回路（ＷＳ）と、該ホイ
   ートストンブリッジ回路（ＷＳ）の出力を増幅する増幅
   器（Ｚ）とを備え、上記ホイートストンブリッジ回路（
   ＷＳ）の伝達行列■と増幅器（Ｚ）のゲイン行列■の積
   が上記弾性体（２１）に作用する変位力■と歪■との関
   係を定めるコンプライアンス行列■の一般化逆行列■＾
   −になるように上記弾性体（２１）の形状、歪検出手段
   （ｇ）の位置及び増幅器（Ｚ）の増幅率が設定されてい
   ることを特徴とするロボットの力覚制御装置。