WO2006120776A1

WO2006120776A1 - 力覚センサ

Info

Publication number: WO2006120776A1
Application number: PCT/JP2005/022983
Authority: WO
Inventors: Yong Yu; Takashi Chaen; Showzow Tsujio
Original assignee: Kagoshima University
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2006-11-16
Also published as: JP2006317222A; JP4825967B2

Abstract

　力覚センサ（１）には、平面形状が十字型の梁部（２）及びこの梁部（２）の中心から突出する突出部（３）を備えた構造体（１１）が設けられている。構造体（１１）は、例えばステンレス製である。梁部（２）の４つの端部は、夫々弾性梁（４）に回転可能に連結されている。弾性梁（４）は、例えばジュラルミン製である。即ち、各弾性梁（４）の下端及び梁部（２）の各端部には、これらを貫通する穴が形成されており、この穴の中にシャフトが挿入されている。そして、これらが筐体（５）に収納されている。筐体（５）の内側には、４つの固定部が設けられており、この固定部の各々に各弾性梁（４）が回転可能に固定されている。即ち、各弾性梁（４）の上端及び各突出部には、これらを貫通する穴が形成されており、この穴の中にシャフトが挿入されている。

Description

明細書

カ覚センサ

技術分野

[0001] 本発明は、ロボットの指先に好適なカ覚センサに関する。

背景技術

[0002] ロボットの指先にはカ覚センサが用いられている。図 11は、従来のカ覚センサを示す模式図である。従来のカ覚センサにおいては、構造体 111の梁部 102に歪ゲージ (図示せず)が貼り付けている。更に、構造体 111には、梁部 102の中央力も突出する突出部 103が形成されている。そして、突出部 103の先端に力 Fや Fが作用する

X Z

と、梁部 102に表面歪が発生し、この歪量が歪ゲージを用いて読み取られる。この読み取り値力も突出部 103の先端に作用した力の方向及び大きさが分析される。また、従来のカ覚センサには、 X—Y軸方向の感度と Z軸方向の感度とが相違するといぅ特徴がある。

[0003] 例えば、力 Fが作用した場合には、支点から Xの位置に、 ε = (F χ/Εΐ) · (Η/8

Ζ 0 ζ

)で表される歪 ε が発生する。但し、 Εは梁部 102の縦弾性係数であり、 Iは梁部 10

0

2の断面 2次モーメントであり、 Ηは梁部 102の高さである。

[0004] このような構成の従来のカ覚センサにおいて、感度を高めるためには、構造体 111 の剛性を低くする必要がある。し力しながら、構造体 111の剛性を低くすると、過剰な力入力があった場合、センサが容易に破壊されてしまう。即ち、感度と剛性を両立させることは困難である。

[0005] 特許文献 1 :特開 2004— 45044号公報

発明の開示

[0006] 本発明は、剛性を低くしなくても感度を向上させることができ、好ましくは 3軸方向における感度を均等にすることができるカ覚センサを提供することを目的とする。

[0007] 本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

[0008] 本発明に係るカ覚センサは、外部力もの力が作用する第 1の梁部材と、前記第 1の梁部材よりも剛性が低い材料力構成され、前記第 1の梁部材の前記力が作用する領域を間に挟む位置に一端が回転可能に取り付けられ、対を成す第 2の梁部材と、前記第 2の梁部材の他端を回転可能に固定する固定手段と、を有することを特徴とする。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]図 1は、本発明の実施形態に係るカ覚センサ 1の外観を示す図である。

[図 2]図 2は、カ覚センサ 1の内部構造を示す図である。

[図 3]図 3は、弾性梁 4を示す模式図である。

[図 4A]図 4Aは、突出部 3に力が作用して、な、状態を示す模式図である。

[図 4B]図 4Bは、突出部 3に力 Fが作用している状態を示す模式図である。

Z

[図 4C]図 4Cは、突出部 3に力 Fが作用している状態を示す模式図である。

X

[図 5]図 5は、弾性梁 4のたわみ変形を示す図である。

[図 6]図 6は、くびれ部 43のたわみを示す図である。

[図 7]図 7は、弾性梁 4のたわみ変形を模式的に示す図である。

[図 8A]図 8Aは、 500gの重りを X方向に吊るした時の結果を示すグラフである。

[図 8B]図 8Bは、 1kgの重りを X方向に吊るした時の結果を示すグラフである。

[図 8C]図 8Cは、 2kgの重りを X方向に吊るした時の結果を示すグラフである。

[図 9A]図 9Aは、 500gの重りを Z方向に吊るした時の結果を示すグラフである。

[図 9B]図 9Bは、 1kgの重りを Z方向に吊るした時の結果を示すグラフである。

[図 9C]図 9Cは、 2kgの重りを Z方向に吊るした時の結果を示すグラフである。

[図 10]図 10は、シャフトが貫通する穴の例を示す断面図である。

[図 11]図 11は、従来のカ覚センサを示す模式図である。

発明を実施するための最良の形態

[0010] 以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図 1 は、本発明の実施形態に係るカ覚センサの外観を示す図であり、図 2は、カ覚センサの内部構造を示す図である。

[0011] このカ覚センサ 1には、平面形状が十字型の梁部（第 1の梁部材） 2及びこの梁部 2 の中心から突出する突出部 3を備えた構造体 11が設けられている。構造体 11は、例えばステンレス製である。梁部 2の 4つの端部は、夫々弾性梁 (第 2の梁部材) 4に回転可能に連結されている。弾性梁 4は、例えばジュラルミン製である。即ち、各弾性梁 4の下端及び梁部 2の各端部には、これらを貫通する穴が形成されており、この穴の中にシャフト 12 (図 5参照）が挿入されている。そして、これらが筐体 5に収納されている。筐体 5の内側には、 4つの固定部（固定手段） 51 (図 4A〜図 4C参照）が設けられており、この固定部 51の各々に各弾性梁 4が回転可能に固定されている。即ち、各弾性梁 4の上端及び各固定部 51には、これらを貫通する穴が形成されており、この穴の中にシャフト 13 (図 5参照）が挿入されて!、る。

[0012] 次に、弾性梁 4について説明する。図 3は、弾性梁 4を示す模式図である。弾性梁 4 には、構造体 11との連結の際にシャフト 12が貫通する穴 45が形成された下端部 41 、筐体 5の固定部 51への固定の際にシャフト 13が貫通する穴 46が形成された上端部 44、並びに、下端部 41及び上端部 44間に位置する基部 42及びくびれ部 43が設けられている。くびれ部 43には、歪ゲージ（図示せず）が貼り付けられている。基部 4 2はくびれ部 43よりも下端部 41側に設けられており、その径は、くびれ部 43の径よりも大きい。なお、例えば、穴 45の断面形状は直径がシャフト 12の直径と同程度の円形であり、穴 46の断面形状はシャフト 13が移動可能なように、長方形の両端に半円が付された形状である。

[0013] ここで、構造体 11及び弾性梁 4の変形について説明する。図 4Aは、突出部 3に力が作用していない状態を示す模式図であり、図 4Bは、突出部 3に突出部が延びる方向と平行な方向から力 Fが作用している状態を示す模式図であり、図 4Cは、突出部

Z

3に突出部が延びる方向と垂直な方向から力 Fが作用している状態を示す模式図で

X

ある。

[0014] 図 4Aに示すような定常状態にあるカ覚センサ 1に対して、図 4Bに示すように、力 F が作用すると、弾性梁 4の上端部 44が固定部 51に回転可能に固定されているため

Z

、構造体 11の梁部 2の中央がへこむようにたわむと共に、弾性梁 4もたわむ。このとき、弾性梁 4では、くびれ部 43において幅が最も狭いため、たわみ変形はくびれ部 43 に集中する。

[0015] また、図 4Cに示すように、力 Fが作用した場合には、梁部 2が波状に 2箇所で互いに異なる方向にたわむと共に、弾性梁 4のくびれ部 43もたわむ。但し、一部の弾性梁 4においては、そのくびれ部 43のたわみ変形の方向が、力 Fが作用した場合とは相

Z

違する。

[0016] ここで、構造体 11に作用する力の大きさと弾性梁 4のたわみ変形との関係につ、て説明する。図 5は、弾性梁 4のたわみ変形を示す図である。図 6は、くびれ部 43のたわみを示す図である。図 7は、弾性梁 4のたわみ変形を模式的に示す図である。以下の説明では、くびれ部 43の長さを a、シャフト 12の中心からくびれ部 43の中心まで

X

の距離を a、シャフト 13の中心からくびれ部 43の中心までの距離を a、くびれ部 43

1 2

の幅を h、くびれ部 43のたわみ角を Θ、くびれ部 43のたわみ変形における曲率半径を ρとする。

[0017] くびれ部 43のたわみ角 Θは、図 7に示すように、たわみ変形前にくびれ部 43の軸があった位置と変形後に軸がある位置とのなす角度 α及び Φを用いて表すことができる。

[0018] 図 7では、数 1に示す関係が成り立つている。

[0019] [数 1]

a_x sin Φ = i sin a

« = sin — sin

[0020] たわみ角 Θは、角度ひ及び Θの和であるため、数 2で表される。

[0021] [数 2]

[0022] ここで、くびれ部 43の表面長さの変化量を Δ aとすると、くびれ部 43の歪 εは、数 3 で表される。

[0023] [数 3]

^ ₌ Aa ₌ (p + h/2 & - f _ h

α_χ α_χ 2α_χ

[0024] 数 3に数 2の Θを代入すると、数 4が得られる。 [0025] [数 4]

=— Θ =— -^-sin + Φ

2« 2α_χ α₂

[0026] たわみ角は微小（Φく < 1)であるため、 sinO> Φ、 cos Φ 1と近似することができる。従って、数 4は数 5と変形することができる。

[0027] [数 5] α, s 2

Φ — ^L + COS ~ " = sm a

[0028] 従って、くびれ部 43を（2a _£ )Zhが微小（（2a 二なるように形成さ

X ：

れている場合には、数 6の関係が成り立つ。

[0029] [数 6]

(a, + CJ， )h

£ = Φ

^2α

[0030] また、 2点支持梁においては、その長さを L、縦弾性係数を E、断面 2次モーメントを Iとすると、中心に力 Fが作用した時に支点力も Xの位置に生じるたわみ角 Φ Ίま、数 7で表される。

[0031] [数 7]

[0032] 本実施形態では、力 F力個の弾性梁 4に伝達されるため、弾性梁 4のくびれ部 43 におけるたわみ角 Φは Φ 'Ζ4となる。このため、数 6及び数 7より、歪 εは、数 8で表される。

[0033] [数 8]

+ a₂ )h Φ' _ (o, + a₂ )h x² - I²/⁴ _F _

_p

£— 2a_xa₂ 4 — 2a_xa₂ \ 6EI ¹ 一 '

[0034] 一方、構造体 11のみに着目した場合、梁部 2の高さを Hとすると、中心に力 Fが作用した時に支点力 Xの位置に生じる歪 ε は、数 9で表される _c

0 [0035] [数 9]

F.x H

f_n =—— ^!

⁰ El 8

[0036] 数 8で表される歪 εと数 9で表される ε とを比較すると、数 10のようになる。

0

[0037] [数 10]

8 (/, +l₂ )h x² - L²/4

' H _ 4/ノ ₂ xH

[0038] この数 10は、 ε Z ε > 1が満たされれば、本実施形態によって従来のカ覚センサ

0

よりも高、感度を得られることを示して、る。

[0039] 数 10は、突出部 3が延びる方向に平行な方向から力が作用した場合に成り立つ式であるが、突出部 3が延びる方向に直交する方向から力が作用した場合にも、歪 εを歪 ε

0よりも大きくすることが可能である。

[0040] また、 Ζ方向（突出部 3が延びる方向に平行な方向）と X方向及び Υ方向（突出部 3 が延びる方向に直交する方向）との感度の関係に関し、本実施形態によれば、弾性梁 4の材料及び形状等を適宜調節することにより、これらの 3軸方向における感度を均一なものとすることも可能である。これらの感度を均一なものとすることにより、出力データの解析が容易になる等の効果が得られる。

[0041] 次に、本願発明者が実際に作製したカ覚センサ 1の性能について説明する。このカ覚センサ 1では、構造体 11をステンレス製とし、その梁部 2の長さ Lを 10. Omm, 高さ Hを 2. OOmmとした。また、弾性梁 4をジュラルミン製とし、そのくびれ部 43に関する長さ alを 9mm、長さ a2を 3. 25mm,長さ aを 3. 50mm,幅 hを 1. OOmmとした

X

。また、くびれ部 43に歪ゲージを貼り付け、歪 εの大きさに比例する電圧を測定可能にした。

[0042] そして、突出部 3の先端に、 500g、 1kg及び 2kgの 3種類の重りを個別に吊るし、各重りが吊るされた時の電圧の測定を行った。なお、重りを吊るす方向は、突出部 3が延びる方向に垂直な方向（X方向）、及び突出部 3が延びる方向に平行な方向（Z方向）の 2方向とした。この測定結果を表 1に示す。

[0043] [表 1] 重りの質量 500g 1kg 2kg

X方向 53. 874 102. 929 190. 709

z方向 18. 304 40. 319 106. 585

[0044] また、比較のために、弾性梁 4を設けずに、梁部 2の中心に歪ゲージを貼り付け、歪 ε

0の大きさに比例する電圧を、上記の測定と同様にして測定した。この結果を表 2に示す。

[0045] [表 2]

[0046] 表 1及び表 2に示す結果から、 ε / ε を求めると表 3のようになる。

0

[0047] [表 3]

[0048] このように、弾性梁 4を備えたカ覚センサ 1では、弾性梁 4がないカ覚センサと比較して、 X方向で 3倍程度、 Z方向で 9倍程度の高い出力電圧が得られた。このことは、弾性梁 4を備えたカ覚センサ 1では、 X方向で 3倍程度、 Z方向で 9倍程度の高い感度が得られることを示している。但し、 X方向と Y方向とでは、構造が同一であるため、 Y方向でも X方向と同程度の感度が得られる。

[0049] また、本願発明者は、剛性等の確認のため、上記の重りを吊るした後、重りを吊るしてある糸を瞬時に切断し、弾性梁 4を備えたカ覚センサ 1による測定結果をグラフィ匕した。この結果を図 8A乃至図 8C及び図 9A乃至図 9Cに示す。図 8A乃至図 8Cは、重りを X方向に吊るした時の結果を示し、図 9A乃至図 9Cは、重りを Z方向に吊るした時の結果を示している。また、図 8A及び図 9Aは、 500gの重りを吊るした時の結果を示し、図 8B及び図 9Bは、 1kgの重りを吊るした時の結果を示し、図 8C及び図 9Cは、 2kgの重りを吊るした時の結果を示している。

[0050] 図 8A乃至図 8C及び図 9A乃至図 9Cに示すように、どの荷重及びどの懸架方向においても、オーバーシュート及び時間遅れ等は生じな力つた。このことは、動特性が優れており、十分な剛性を備えて、ることを意味して、る。 [0051] なお、弾性梁 4の穴 45及び 46の直径がシャフト 12及び 13の直径と一致している場合、これらの間の摩擦が大きくなり、正確な測定が困難になる場合がある。逆に、弾性梁 4の穴 45及び 46の直径がシャフト 12及び 13の直径よりも大きすぎる場合には、弾性梁 4及び構造体 11ががたついてしまって、正確な測定が困難になる。そこで、図 10に示すように、下端部 41については、長さ方向の中心に近づくほど直径が狭くなる穴 45aを形成することが好ましい。上端部 44についても同様である。

[0052] また、上述の本発明の実施形態についての説明では、力が作用する方向として 2 方向のみを挙げて、るが、これらに直交する方向（ Y方向）から力が作用してもょ、。更に、これらの間の方向力も力が作用してもよい。この場合、例えば、力の作用方向を互いに直交する 3方向に分解すればよい。なお、力の作用方向が上述の X方向及び Z方向のみである場合には、梁部 2の平面形状は十字型である必要はなぐ 1つの梁が設けられて、ればよ、。

産業上の利用可能性

[0053] 本発明によれば、第 2の梁部材において第 1の梁部材よりも大きな歪が発生するため、第 1の梁部材の剛性を維持したまま高い感度を得ることができる。従って、カ覚センサ全体として、剛性を低下させることなく高い感度を得ることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 外部からの力が作用する第 1の梁部材と、

前記第 1の梁部材よりも剛性が低い材料力構成され、前記第 1の梁部材の前記力が作用する領域を間に挟む位置に一端が回転可能に取り付けられ、対を成す第 2の梁部材と、

前記第 2の梁部材の他端を回転可能に固定する固定手段と、

を有することを特徴とするカ覚センサ。

[2] 前記第 2の梁部材は、互いに径が異なる領域を、少なくとも長手方向の 2箇所に有することを特徴とする請求項 1に記載のカ覚センサ。

[3] 前記固定手段は、前記第 1の梁部材及び前記第 2の梁部材を収納する筐体であることを特徴とする請求項 1に記載のカ覚センサ。

[4] 前記固定手段は、前記第 1の梁部材及び前記第 2の梁部材を収納する筐体であることを特徴とする請求項 2に記載のカ覚センサ。

[5] 前記第 1の梁部材は、前記力が作用する領域を交点として、互いに交差する 2つの梁を有し、

前記第 2の梁部材は、前記 2つの梁毎に 1対ずつ取り付けられていることを特徴とする請求項 1に記載のカ覚センサ。

[6] 前記第 1の梁部材は、前記力が作用する領域を交点として、互いに交差する 2つの梁を有し、

前記第 2の梁部材は、前記 2つの梁毎に 1対ずつ取り付けられていることを特徴とする請求項 2に記載のカ覚センサ。

[7] 前記第 1の梁部材は、前記力が作用する領域を交点として、互いに交差する 2つの梁を有し、

前記第 2の梁部材は、前記 2つの梁毎に 1対ずつ取り付けられていることを特徴とする請求項 3に記載のカ覚センサ。

[8] 前記第 1の梁部材は、前記力が作用する領域を交点として、互いに交差する 2つの梁を有し、

前記第 2の梁部材は、前記 2つの梁毎に 1対ずつ取り付けられていることを特徴とする請求項 4に記載のカ覚センサ。