WO2022153478A1

WO2022153478A1 - 力覚センサ、協働ロボット及びロボット

Info

Publication number: WO2022153478A1
Application number: PCT/JP2021/001214
Authority: WO
Inventors: 宗石川; 重義稲垣; 直史吉田; 泰弘山下
Original assignee: 株式会社Fuji
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2022-07-21
Also published as: JPWO2022153478A1

Abstract

力覚センサは、ロボットアームの先端部に固定された固定部と、前記固定部に連結部を介して連結され、かつ、外部から作用する力を受けて前記固定部に対して相対移動可能である可動部と、前記可動部の変化の検出をすることにより前記外部から作用する力を検出する検出部と、前記可動部に備えられ、前記ロボットアームの先端部に取り付けられるエンドエフェクタ部が取付可能である第１取付部と、前記可動部に備えられ、人が握って前記ロボットアームを動かすことが可能であるハンドル部が取付可能である第２取付部と、を備えている。

Description

力覚センサ、協働ロボット及びロボット

　本明細書は、力覚センサ、協働ロボット及びロボットに関する。

　力覚センサの一形式として、特許文献１には、外側構造体、底板部材、台座からなる第１の剛体群と、内側構造体、連結部材、外殻構造体からなる第２の剛体群とを、弾性変形可能な複数の基本センサによって接続した構造を有している力覚センサが開示されている。この力覚センサが、ロボットアームの一部に使用される場合がある。この場合、第１の剛体群の台座または底板部材がロボットアームに接続され、第２の剛体群の内側構造体または連結部材にエンドエフェクタが接続される。力覚センサは、エンドエフェクタに作用する力及び／またはモーメントを検出している。

特開２０１４－１１９３４７号公報

　ところで、ロボットアームにエンドエフェクタ以外の部材（例えば人がロボットアームを直接操作する操作部）を取り付けた場合には、上述した特許文献１に記載されている力覚センサにおいて、エンドエフェクタに作用する力は検出（測定）することができるものの、エンドエフェクタ以外の部材に作用する力を検出できないおそれがあった。そこで、エンドエフェクタ以外の部材に作用する力を検出するためには、別の力覚センサを取り付けることが考えられるが、ロボットアームが大型化・高コスト化となるおそれがあった。

　このような事情に鑑みて、本明細書は、大型化・高コスト化を招くことなく、１つの力覚センサで２以上の力を検出することができる力覚センサ、協働ロボット及びロボットを開示する。

　本明細書は、ロボットアームの先端部に固定された固定部と、前記固定部に連結部を介して連結され、かつ、外部から作用する力を受けて前記固定部に対して相対移動可能である可動部と、前記可動部の変化の検出をすることにより前記外部から作用する力を検出する検出部と、前記可動部に備えられ、前記ロボットアームの先端部に取り付けられるエンドエフェクタ部が取付可能である第１取付部と、前記可動部に備えられ、人が握って前記ロボットアームを動かすことが可能であるハンドル部が取付可能である第２取付部と、を備えた力覚センサを開示する。

　本開示によれば、力覚センサは、可動部の第１取付部にエンドエフェクタ部を取り付けるとともに第２取付部にハンドル部を取り付けることが可能となる。よって、この力覚センサは、エンドエフェクタ部に作用する力とハンドル部に作用する力の少なくとも一方を検出することが可能となる。その結果、大型化・高コスト化を招くことなく、１つの力覚センサによって少なくとも２つの力（２以上の力）を検出することが可能となる。

力覚センサ６０及び協働ロボット２０が適用された超音波診断システム１０を示す外観斜視図である。図１に示す協働ロボット２０を示す側面図である。超音波診断システム１０を示すブロック図である。力覚センサ６０、エンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０を示す側面図である。力覚センサ６０を示す外観斜視図である。力覚センサ６０を示す平面図である。力覚センサ６０を示す７－７線に沿った断面図である。力覚センサ６０、エンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０の取付部分を示す部分拡大断面図である。

（超音波診断システム）
　以下、力覚センサが適用された協働ロボットを備えた超音波診断システムの一例である一実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の各図において、ＸＹＺ座標系を用いて図中の方向を説明する。このＸＹＺ座標系においては、水平面に平行な平面をＸＹ平面とする。このＸＹ平面において、左右方向がＸ軸方向であり、前後方向がＹ軸方向である。また、ＸＹ平面に垂直な上下方向がＺ軸方向である。

　超音波診断システム１０は、協働ロボット（以下、単にロボットと称する場合がある。）２０に超音波プローブ１０１を保持し、超音波プローブ１０１が被験者の皮膚に押し当てられるようにロボット２０を駆動することにより超音波診断を行なうものである。本実施形態では、超音波診断システム１０は、被験者の浅大腿動脈に超音波を当てて、浅大腿動脈の短軸方向における断面画像と長軸方向における断面画像とを取得し、取得した画像から血管の状態をチェックする浅大腿動脈エコー検査に用いられる。超音波診断システム１０は、図１，図２に示すように、ロボット２０と、ロボット２０を制御する制御装置９０と、超音波診断装置１００とを備えている。

（超音波診断装置）
　超音波診断装置１００は、超音波プローブ１０１と、超音波プローブ１０１がケーブル１０１ａを介して接続されている超音波診断装置本体１０２とを備えている。超音波診断装置本体１０２は、装置全体の制御を司る制御部１０３と、診断開始などの指示を入力する指示入力部１０４と、超音波プローブ１０１からの受信信号を処理して超音波画像を生成するための画像処理部１０５と、生成された超音波画像を表示する表示部１０６とを含む。

（ロボット）
　ロボット２０は、図１，２に示すように、ロボットアーム２０ａと、ロボットアーム２０ａの基端部が取り付けられているベース２５と、基台２６と、ロボットアーム２０ａを昇降させる（上下方向に沿って移動させる）昇降装置４０と、ロボットアーム２０ａの先端部に取り付けられたエンドエフェクタ部７０と、ロボットアーム２０ａの先端部に取り付けられたハンドル部８０と、を備えている。

（昇降装置）
　ベース２５は、基台２６上に設置された昇降装置４０により、基台２６に対して昇降可能に設けられている。基台２６は、複数の車輪２６ａが設けられている。基台２６には、制御装置９０が設けられている。昇降装置４０は、図１，図２に示すように、スライダ４１と、ガイド部材４２と、ボールねじ軸（昇降軸）４３と、モータ４４と、エンコーダ４５とを備えている。スライダ４１は、ロボットアーム２０ａのベース２５に固定されている。ガイド部材４２は、上下方向に沿って延設して基台２６に固定されおり、スライダ４１の上下方向に沿った移動をガイドするものである。ボールねじ軸４３は、上下方向に沿って延設してガイド部材４２または基台２６に回転可能に支持固定されており、スライダ４１に固定されたボールねじナット（図示せず）に螺合されている。モータ４４は、ガイド部材４２または基台２６に設けられており、ボールねじ軸４３を回転駆動する。エンコーダ４５は、スライダ４１（ベース２５）の上下方向における位置（昇降位置）を検出するリニアエンコーダ（位置センサ）として機能している。昇降装置４０は、モータ４４の出力によりボールねじ軸４３を回転駆動することにより、スライダ４１をガイド部材４２に沿って上下に移動させ、ひいては、ベース２５をガイド部材４２に沿って上下に移動させる。

（ロボットアーム）
　ロボットアーム２０ａは、主として図２に示すように、第１アーム２１と、第２アーム２２と、第１アーム駆動装置３５と、第２アーム駆動装置３６と、姿勢保持装置３７と、回転３軸機構５０と、を備えている。

（第１アーム）
　第１アーム２１の基端部は、上下方向（Ｚ軸方向）に延在する第１関節軸３１を介してベース２５に連結されている。第１関節軸３１は、第１アーム駆動装置３５を備えており、第１アーム駆動装置３５によって第１関節軸３１の回転軸回りに回転駆動される。第１アーム駆動装置３５は、モータ３５ａと、エンコーダ３５ｂとを備えている。モータ３５ａの出力軸は、図示しない減速機を介して第１関節軸３１に接続されている。第１アーム駆動装置３５は、モータ３５ａの出力により第１関節軸３１をベース２５に対して回転駆動させることにより、第１関節軸３１を支点に第１アーム２１を水平面（ＸＹ平面）に沿って回動（旋回）させる。エンコーダ３５ｂは、モータ３５ａに取り付けられ、モータ３５ａの回転変位量を検出するロータリエンコーダ（位置センサ）として機能している。

（第２アーム）
　第２アーム２２の基端部は、上下方向に延在する第２関節軸３２を介して第１アーム２１の先端部に連結されている。第２関節軸３２は、第２アーム駆動装置３６を備えており、第２アーム駆動装置３６によって第２関節軸３２の回転軸回りに回転駆動される。第２アーム駆動装置３６は、モータ３６ａと、エンコーダ３６ｂとを備えている。モータ３６ａの出力軸は、図示しない減速機を介して第２関節軸３２に接続されている。第２アーム駆動装置３６は、モータ３６ａの出力により第２関節軸３２を第１アーム２１の先端部に対して回転駆動させることにより、第２関節軸３２を支点に第２アーム２２を水平面に沿って回動（旋回）させる。エンコーダ３６ｂは、モータ３６ａに取り付けられ、モータ３６ａの回転変位量を検出するロータリエンコーダ（位置センサ）として機能している。

（回転３軸機構）
　回転３軸機構５０は、上下方向に延在する姿勢保持用軸３３を介して第２アーム２２の先端部に連結されている。回転３軸機構５０の基端部（第１回転軸５１）は、上下方向（Ｚ軸方向）に延在する姿勢保持用軸３３を介して第２アーム２２の先端部に連結されている。姿勢保持用軸３３は、姿勢保持装置３７を備えており、姿勢保持装置３７によって姿勢保持用軸３３の回転軸回りに回転駆動される。姿勢保持装置３７は、モータ３７ａと、エンコーダ３７ｂとを備えている。モータ３７ａの出力軸は、図示しない減速機を介して姿勢保持用軸３３に接続されている。姿勢保持装置３７は、モータ３７ａの出力により姿勢保持用軸３３を第２アーム２２の先端部に対して回転駆動させることにより、姿勢保持用軸３３を支点に回転３軸機構５０（第１回転軸５１）を水平面（ＸＹ平面）に沿って回動（旋回）させる。エンコーダ３７ｂは、モータ３７ａに取り付けられ、モータ３７ａの回転変位量を検出するロータリエンコーダ（位置センサ）として機能している。

　姿勢保持装置３７は、第１アーム２１および第２アーム２２の姿勢によらず回転３軸機構５０の姿勢（第１回転軸５１の向き）を一定の向きに保持するものである。具体的には、姿勢保持装置３７は、第１回転軸５１の軸方向が常時、左右方向（Ｘ軸方向）となるように第１関節軸３１の回転角度と第２関節軸３２の回転角度とに基づいて姿勢保持用軸３３の目標回転角度を設定し、姿勢保持用軸３３が目標回転角度となるようにモータ３７ａを駆動制御する。

　回転３軸機構５０の先端部には、力覚センサ６０を介してエンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０が取り付けられている（連結されている）。回転３軸機構５０は、エンドエフェクタ部７０に、Ｘ軸回り（ピッチング），Ｙ軸回り（ローリング）およびＺ軸回り（ヨーイング）の３方向の回転運動を付与することにより、エンドエフェクタ部７０（超音波プローブ１０１）を任意の姿勢に駆動制御するものである。これにより、エンドエフェクタ部７０の３方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向）の並進運動の制御と３方向の回転運動の制御とをそれぞれ独立して行なうことが可能となる。

　具体的には、回転３軸機構５０は、互いに直交する第１回転軸５１，第２回転軸５２および第３回転軸５３と、第１回転軸５１を回転させる第１回転装置５５と、第２回転軸５２を回転させる第２回転装置５６と、第３回転軸５３を回転させる第３回転装置５７とを備えている。

　第１回転軸５１は、姿勢保持用軸３３の先端部に姿勢保持用軸３３に対して直交姿勢にて回転可能に支持されている。第１回転軸５１は、姿勢保持装置３７によって姿勢保持用軸３３の回転軸回りに水平面（ＸＹ平面）に沿って回動（旋回）される。第１回転軸５１は、モータ５５ａと、エンコーダ５５ｂ（位置センサ）とを備えた第１回転装置５５を備えている。第１回転装置５５は、モータ５５ａの出力により第２回転軸５２を第１回転軸５１の回転軸回りに回転駆動させる。エンコーダ５５ｂは、モータ５５ａに取り付けられモータ５５ａの回転変位量を検出する。

　第２回転軸５２は、第１回転軸５１の先端部に第１回転軸５１に対して直交姿勢にて回転可能に支持されている。第２回転軸５２は、モータ５６ａと、エンコーダ５６ｂ（位置センサ）とを備えた第２回転装置５６を備えている。第２回転装置５６は、モータ５６ａの出力により第３回転軸５３を第２回転軸５２の回転軸回りに回転駆動させる。エンコーダ５６ｂは、モータ５６ａに取り付けられモータ５６ａの回転変位量を検出する。

　第３回転軸５３は、第２回転軸５２の先端部に第２回転軸５２に対して直交姿勢にて回転可能に支持されている。第３回転軸５３は、モータ５７ａと、エンコーダ５７ｂ（位置センサ）とを備えた第３回転装置５７を備えている。第３回転装置５７は、モータ５７ａの出力により第３回転軸５３の先端部（回転３軸機構５０の先端部）ひいてはエンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０を第３回転軸５３の回転軸回りに回転駆動させる。エンコーダ５７ｂは、モータ５７ａに取り付けられモータ５７ａの回転変位量を検出する。

　上述したように、ロボットアーム２０ａは、第１アーム駆動装置３５と第２アーム駆動装置３６と昇降装置４０とによるＸ軸方向，Ｙ軸方向およびＺ軸方向の３方向の並進運動と、回転３軸機構５０によるＸ軸回り（ピッチング），Ｙ軸回り（ローリング）およびＺ軸回り（ヨーイング）の３方向の回転運動との組み合わせにより、エンドエフェクタ部７０である超音波プローブ１０１を任意の姿勢で任意の位置へ移動させることができる。

（力覚センサ）
　第３回転軸５３の先端部には、図４に示すように、力覚センサ６０を介してエンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０が取り付けられている。力覚センサ６０は、ハンドル部８０に作用する力またはエンドエフェクタ部７０に作用する力を検出（検知）することが可能である。ハンドル部８０に作用する力は、例えば、操作者（人）がハンドル部８０を操作する際にハンドル部８０に操作者が加えている力である。エンドエフェクタ部７０に作用する力は、例えば、ロボットアーム２０ａを作動させてエンドエフェクタ部７０に装着された超音波プローブ１０１を被験者の体表面に沿って移動させた際に、超音波プローブ１０１に加わる力である。

　力覚センサ６０は、図４，図６に示すように、センサ本体６１、可動部６２、連結部６３、検出部６４、第１フランジ部６５（第１移動規制部）、及び第２フランジ部６６（第２移動規制部）を備えている。

　センサ本体６１は、図６，図７に示すように、略長方形状の板状部材である。センサ本体６１は、基端部６１ａ、先端部６１ｂ、及び可動部収容部６１ｃを備えている。基端部６１ａは、センサ本体６１の長手方向の一方側に設けられており、第３回転軸５３の先端部に取り付けられている。基端部６１ａは、複数の貫通孔６１ａ１が設けられている。貫通孔６１ａ１にそれぞれ挿通された複数のねじ６７（図４参照）が第３回転軸５３のねじ孔（不図示）に螺合されることにより、基端部６１ａは、第３回転軸５３の先端部に固定されている。

　先端部６１ｂは、センサ本体６１の長手方向の他方側に設けられており、先端部６１ｂを厚み方向に貫通して形成された貫通孔である可動部収容部６１ｃを備えている。先端部６１ｂは、内側空間が可動部収容部６１ｃである枠部６１ｄを備えている。枠部６１ｄは、可動部６２をセンサ本体６１の水平方向にて取り囲む部材である。可動部収容部６１ｃは断面形状が六角形形状の貫通孔であり、その貫通穴内に可動部６２を移動（変位）可能に収容するものである。可動部収容部６１ｃの断面形状は、六角形形状に限定されず、円形形状でもよく、三角形形状、四角形形状などの多角形形状でもよい。可動部収容部６１ｃの内壁面は、６つの方形状の壁面から構成されている。

　このように、センサ本体６１は、ロボットアーム２０ａの先端部に固定された固定部を構成している。センサ本体６１は、センサ本体６１に貫通して形成された貫通穴であってその貫通穴内に可動部６２を移動可能に収容する可動部収容部６１ｃを備えている。

　可動部６２は、枠部６１ｄ（固定部）に連結部６３を介して連結され、かつ、外部から作用する力を受けて枠部６１ｄに対して相対移動可能な部材である。可動部６２は、柱体である可動部本体６２ａを有している。本実施形態においては、可動部６２すなわち可動部本体６２ａは、可動部収容部６１ｃと同様に、断面形状が六角形形状に形成されている。可動部本体６２ａの断面形状は、六角形形状に限定されず、円形形状でもよく、三角形形状、四角形形状などの多角形形状でもよい。

　可動部本体６２ａは、側壁面６２ｂ、第１底面６２ｃ、及び第２底面６２ｄを備えている。側壁面６２ｂは、６つの方形状の壁面から構成されている。これら各壁面は、可動部６２に外部から力が作用していない通常状態（非作動状態；図８に示す状態）である場合に、対向する可動部収容部６１ｃの壁面と所定距離をおいて平行となるようにそれぞれ配設されている。これにより、可動部６２は、可動部収容部６１ｃの内周壁面から所定距離をおいて配設されるように設定されている。

　第１底面６２ｃ及び第２底面６２ｄは、本実施形態では、可動部本体６２ａの断面形状と同じ六角形形状に形成されている。可動部６２の厚みは、枠部６１ｄ（センサ本体６１）の厚みより大きい値に設定されている。具体的には、図７に示すように、可動部本体６２ａの第１底面６２ｃは、枠部６１ｄの一方の面である下面（図７にて下側の面）より第１所定量だけ突出して配設されている。可動部本体６２ａの第２底面６２ｄは、枠部６１ｄの他方の面である上面（図７にて上側の面）より第１所定量だけ突出して配設されている。第１所定量は、後述するエンドエフェクタ部７０やハンドル部８０に力が作用して可動部６２が変動する際に、連結部６３や可動部６２が破損しない程度に可動部６２の移動を許容する値に設定されるのが好ましい。

　可動部６２は、エンドエフェクタ部７０が取付可能である第１取付部６２ｅが備えられるとともに、ハンドル部８０が取付可能である第２取付部６２ｆが備えられている。第１底面６２ｃは第２底面６２ｄと平行であるので、第１取付部６２ｅは第２取付部６２ｆと平行である。また、エンドエフェクタ部７０とハンドル部８０とは同軸上に配設されている。本実施形態では、第１取付部６２ｅは、第１底面６２ｃであり、第２取付部６２ｆは、第２底面６２ｄである。尚、第１取付部６２ｅを第２底面６２ｄとし、第２取付部６２ｆを第１底面６２ｃとしてもよい。

　本実施形態では、第１取付部６２ｅと第２取付部６２ｆとは平行であるとともにエンドエフェクタ部７０とハンドル部８０とは同軸上に配設されている。よって、エンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０に作用する力（トルク）を直交３軸座標系で示す場合、３軸のうちエンドエフェクタ部７０の長手方向（第１底面６２ｃの鉛直方向）に沿った一軸（第１軸）と、３軸のうちハンドル部８０の長手方向（第２底面６２ｄの鉛直方向）に沿った一軸（第１軸）とを同一の軸とすることができる。尚、残りの２軸は、センサ本体６１の長手方向（図６にて左右方向）に沿った一軸（第２軸）と、センサ本体６１の短手方向（図６にて上下方向）に沿った一軸（第３軸）とから構成されている。このように、エンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０に作用する力の直交３軸座標系のうち、２軸（第２軸及び第３軸）を共通にすることが可能となるとともに残りの１軸も正負が逆になるだけで同一座標を使用することが可能となる。これにより、力覚センサ６０によって検出されるエンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０に作用する力を同じ座標系で処理することが可能となり、制御装置９０の制御を簡便にすることが可能となる。尚、エンドエフェクタ部７０とハンドル部８０とは、同軸上に配設されるのに限定されないで、所定角度をなすように配設されてもよい。

　また、可動部本体６２ａには、可動部本体６２ａの厚み方向に貫通する複数（本実施形態では、３個）の貫通孔６２ｇが設けられている。貫通孔６２ｇにそれぞれ挿通された複数のねじ７４（図８参照）がエンドエフェクタ部７０の基部７１のねじ孔７１ａの雌ねじに螺合されることにより、第１フランジ部６５及び第２フランジ部６６が可動部本体６２ａに固定されるとともに、基部７１が第１フランジ部６５を介して可動部本体６２ａに固定されている。

　連結部６３は、図６、図７に示すように、可動部６２を枠部６１ｄに相対移動可能に連結するものである。連結部６３は、断面方形状に形成された直方体状のビームである。連結部６３は、可動部６２と枠部６１ｄとに一体的に形成されているのが好ましい。尚、連結部６３は、可動部６２及び枠部６１ｄと別部材で形成されてもよく、この場合、連結部６３は、可動部６２及び枠部６１ｄに接着、溶着などにより接続されている。本実施形態の力覚センサ６０は、いわゆるビーム式変換器タイプの力覚センサであり、連結部６３が、力とトルクを受けて変形する起歪体である。ビーム式変換器タイプの力覚センサは、外側のリングと中心部の剛体（ハブ）を複数のビームで連結し、各ビームにひずみゲージを貼り付けたものである。本実施形態では、複数（例えば３つ）の連結部６３が可動部本体６２ａを枠部６１ｄに連結している。連結部６３は所定角度（例えば１２０度）間隔にて前記第２軸及び第３軸を含む第２軸第３軸平面に沿って配置されている。

　尚、力覚センサ６０は、ビーム式変換器タイプの力覚センサに限定されず、リング式変換器タイプの力覚センサ、ブロック式変換器タイプの力覚センサを採用することが可能である。リング式変換器タイプの力覚センサは、上下２つのリングを３または、４本の平板ビームで連結し、このビームの内側、外側にそれぞれ引っ張り・圧縮のひずみゲージと剪断用のひずみゲージを貼り付けている。ブロック式変換器タイプの力覚センサは、上下のリングを平行平板と放射平板が列に配置されたブロックで連結し、各平行部にひずみゲージを貼り付けている。また直行させた２つの長穴の平板部にひずみゲージを貼り付けた、起歪体構造を簡略化させたものもある。いずれの場合も、固定部であるセンサ本体６１、可動部６２、検出部６４、第１取付部６２ｅ及び第２取付部６２ｆを備えているのが好ましい。

　検出部６４は、可動部６２の変化の検出をすることにより外部から作用する力を検出する。検出部６４による検出結果は、制御装置９０に送信されている。検出部６４は、第１ひずみセンサ６４ａ、第２ひずみセンサ６４ｂ、第３ひずみセンサ６４ｃ、及び第４ひずみセンサ６４ｄの４つのひずみセンサから構成されている。第１－第４ひずみセンサ６４ａ－６４ｄは、機械的な微小な伸縮の変化(ひずみ)を電気信号として検出するセンサ素子であるひずみゲージである。第１－第４ひずみセンサ６４ａ－６４ｄは、連結部６３の４つの面にそれぞれ貼り付けられている。

　尚、本実施形態では、検出部６４としてひずみセンサを使用するようにしたが、検出部６４の所定の構造部材のひずみ、変化量を電気信号に変換することにより、可動部６２の変化を検出するようにしてもよい。また、可動部６２の変化の検出をするものであれば他のセンサを使用するようにしてもよい。この場合、他のセンサで使用される物理量は、電流、電圧、電荷量、インダクタンス、ひずみ、抵抗、電磁誘導、磁気、空気圧、光など多種多様である。これら他のセンサを使用する力覚センサ６０は、固定部であるセンサ本体６１、可動部６２、検出部６４、第１取付部６２ｅ及び第２取付部６２ｆを備えているのが好ましい。

　第１フランジ部６５は、図８に示すように、可動部本体６２ａの第１底面６２ｃ（第１取付部６２ｅ）に取り付けられている。第１フランジ部６５は、エンドエフェクタ部７０側から可動部６２に向かう第１方向（図８にて上方向）に力が作用した場合に、可動部６２の第１方向への移動が規制可能である第１移動規制部である。第１フランジ部６５は、円形板状に形成されている。第１フランジ部６５は、円形に限定されず、方形状や六角形形状などの多角形形状でもよい。第１フランジ部６５は、第１取付部６２ｅに設けられかつ可動部収容部６１ｃの範囲から外側にはみ出して設けられ、このはみ出した部分が枠部６１ｄ（固定部）の一方の面（図８にて下面）と接触することにより可動部６２の移動を規制することが可能となる。第１フランジ部６５のはみ出した部分が対向する枠部６１ｄの下面に接触することにより、可動部６２の第１方向への移動が規制される。

　また、第１フランジ部６５は、エンドエフェクタ部７０を傾ける力が通常状態である可動部６２に作用した際に、可動部６２が通常状態から所定量だけ傾斜した傾斜状態以上に傾斜する移動をさらに規制することが可能である。すなわち、第１フランジ部６５の端部が枠部６１ｄの下面に接触することにより、可動部６２のそれ以上の傾斜を規制することが可能となる。

　また、第１フランジ部６５には、第１フランジ部６５を厚み方向に貫通する複数（本実施形態では、３個）の貫通孔６５ａが設けられている。各貫通孔６５ａは、可動部本体６２ａの各貫通孔６２ｇにそれぞれ対応して設けられている。各貫通孔６５ａには、上述した各ねじ７４が挿通されている。

　第２フランジ部６６は、可動部本体６２ａの第２底面６２ｄ（第２取付部６２ｆ）に取り付けられている。第２フランジ部６６は、ハンドル部８０側から可動部６２に向かう第２方向（図８にて下方向）に力が作用した場合に、可動部６２の第２方向への移動が規制可能である第２移動規制部である。第２フランジ部６６は、第１フランジ部６５と同様に円形板状に形成されている。第２フランジ部６６は、円形に限定されず、方形状や六角形形状などの多角形形状でもよい。第２フランジ部６６は、第２取付部６２ｆに設けられかつ可動部収容部６１ｃの範囲から外側にはみ出して設けられ、このはみ出した部分が枠部６１ｄ（固定部）の他方の面（図８にて上面）と接触することにより可動部６２の移動を規制することが可能となる。第２フランジ部６６のはみ出した部分が対向する枠部６１ｄの上面に接触することにより、可動部６２の第２方向への移動が規制される。

　また、第２フランジ部６６は、ハンドル部８０を傾ける力が通常状態である可動部６２に作用した際に、可動部６２が通常状態から所定量だけ傾斜した傾斜状態以上に傾斜する移動をさらに規制することが可能である。すなわち、第２フランジ部６６の端部が枠部６１ｄの上面に接触することにより、可動部６２のそれ以上の傾斜を規制することが可能となる。尚、可動部６２が所定量だけ傾斜した傾斜状態となったとき、第１フランジ部６５の端部が枠部６１ｄの下面に接触するととともに第２フランジ部６６の端部が枠部６１ｄの上面に接触することがより好ましい。この場合、可動部６２の上下両方にて移動が規制されるので、連結部６３ひいては検出部６４への過度な力が加わるのをより抑制することが可能となる。

　第２フランジ部６６には、第２フランジ部６６を厚み方向に貫通する複数（本実施形態では、３個）の貫通孔６６ｂが設けられている。各貫通孔６６ｂは、可動部本体６２ａの各貫通孔６２ｇにそれぞれ対応して設けられている。各貫通孔６６ｂには、上述した各ねじ７４が挿通されている。貫通孔６６ｂは段付きの貫通孔に形成されており、段部にねじ７４の頭部が係合する。また、貫通孔６６ｂの大径部は、ねじ７４の頭部が全て収容されている。

　第２フランジ部６６には、ねじ８３が螺合される雌ねじを有するねじ孔６６ａが設けられている。ねじ８３は、ハンドル本体８１のフランジ部８１ａを第２フランジ部６６に固定するためのねじである。

　また、第２フランジ部６６の厚みは、第１フランジ部６５の厚みより厚くなるように設定されている。第２フランジ部６６の厚みは、ねじ７４の頭部が貫通孔６６ｂの大径部に収容でき、かつ、ねじ孔６６ａがねじ８３に螺合できる程度の値に設定されるのが好ましい。

　また、図５に示すように、可動部本体６２ａと枠部６１ｄとの間には、この部分を覆う蓋６８が設けられるのが好ましい。可動部本体６２ａと枠部６１ｄとの間に、異物が侵入するのを抑制することが可能となる。尚、図８にて蓋６８を省略している。

　上述した力覚センサ６０は、エンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０にそれぞれ作用する力を第１軸方向、第２軸方向及び第３軸方向から構成されたツール座標系（直交３軸座標系）で表す各力成分にて検出するとともに各軸周りのトルク成分を検出する。ひいては、力覚センサ６０は、エンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０にそれぞれ作用する力に関してＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸方向に作用する力成分と各軸周りに作用するトルク成分とを検出する。

（エンドエフェクタ部・ハンドル部）
　エンドエフェクタ部７０は、ロボットアーム２０ａの先端部に取り付けられており、人の手先と同様な機能を発揮するものである。本実施形態では、エンドエフェクタ部７０は、超音波プローブ１０１などの身体を検査（診断）するためのセンサが取り付けられ、そのセンサを移動させる機能を有している。エンドエフェクタ部７０は、対象物を把持したり吸着したり移載したりするその他の機能を有する形態としてもよい。

　エンドエフェクタ部７０は、図４に示すように、基部７１、保持部７２、及び連結部７３を備えている。基部７１は、エンドエフェクタ部７０を可動部本体６２ａに取り付けるための基部である。基部７１には、図８に示すように、雌ねじが形成されたねじ孔７１ａが設けられている。複数のねじ７４がねじ孔７１ａに螺合されることにより、第１フランジ部６５及び第２フランジ部６６が可動部本体６２ａに固定されるとともに、基部７１が第１フランジ部６５を介して可動部本体６２ａに固定されている。尚、基部７１と第１フランジ部６５とを一体化する構成としてもよい。

　保持部７２は、超音波プローブ１０１を着脱可能に保持するものである。超音波プローブ１０１は、検出部を有する超音波プローブ１０１の先端部が図４にて下方向を向くように、保持部７２に保持されている。連結部７３は、基部７１と保持部７２とを連結するためのものである。連結部７３の上端部（一端部）は基部７１にねじ止めなどで接続され、連結部７３の下端部（他端部）は保持部７２と一体的に接続されている。連結部７３は、超音波プローブ１０１とハンドル部８０とが同一軸上に配設されるように折り曲げ形状となっている。

　ハンドル部８０は、人（操作者）が握ってロボットアーム２０ａを動かすことが可能であるハンドガイド部である。ハンドル部８０は、人（操作者）がロボットアーム２０ａにエンドエフェクタ部７０のたどる軌道を教示する（ダイレクトティーチング）ための教示部である。

　ハンドル部８０は、図４に示すように、人が握るハンドル本体８１、及び人が押下するスイッチ部８２を備えている。ハンドル本体８１は、環状に形成されたフランジ部８１ａと、フランジ部８１ａの内縁端部に下端部が接続された筒状部８１ｂと、を備えている。フランジ部８１ａは、本実施形態では、円環状に形成されている。フランジ部８１ａは円環状に限定されず、多角形の環状に形成されてもよい。フランジ部８１ａは、第２フランジ部６６より小さいサイズに設定されるのが好ましい。フランジ部８１ａには、図８に示すように、フランジ部８１ａの厚み方向に貫通する複数（本実施形態では、３個）の貫通孔８１ａ１が設けられている。貫通孔８１ａ１にそれぞれ挿通された複数のねじ８３が第２フランジ部６６のねじ孔６６ａの雌ねじに螺合されることにより、ハンドル部８０のフランジ部８１ａが第２フランジ部６６に固定されている。

　スイッチ部８２は、筒状部８１ｂの上端部に設けられている。スイッチ部８２が操作者によって押下されているとき（オン状態）に、ロボットアーム２０ａを動かすことが可能である。スイッチ部８２がオン状態の時のみ、ダイレクトティーチング制御を実施可能となる。

（制御装置）
　制御装置９０は、図３に示すように、ＣＰＵ９１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ９１の他に、ＲＯＭ９２やＲＡＭ９３、入出力ポートおよび通信ポート（図示せず）を備えている。制御装置９０は、力覚センサ６０からの検出信号や各エンコーダ３５ｂ，３６ｂ，３７ｂ，４５，５５ｂ，５６ｂ，５７ｂからの検出信号などが入力ポートを介して入力されている。また、制御装置９０は、各モータ３５ａ，３６ａ，３７ａ，４４，５５ａ，５６ａ，５７ａへの駆動信号を、出力ポートを介して出力している。また、制御装置９０は、超音波診断装置１００の制御部１０３と通信ポートを介して通信しており、データのやり取りを行なう。

　制御装置９０は、操作者（人）がハンドル部８０（教示部）を操作してロボットアーム２０ａを直接動かすことにより、ロボットアーム２０ａに、エンドエフェクタ部７０のたどる軌道及びハンドル部８０に作用する力を教示するダイレクトティーチング制御を実施することが可能である。このとき、制御装置９０は、ロボットアーム２０ａの先端に取り付けられた力覚センサ６０によって、操作者の操作力を検知し、その力をキャンセルする方向へロボットアーム２０ａを動作させる。また、制御装置９０は、エンドエフェクタ部７０が該エンドエフェクタ部７０のたどる軌道に沿うようにロボットアーム２０ａを制御する倣い制御であって、前記倣い制御中に力覚センサ６０によってエンドエフェクタ部７０に作用する力を検出する倣い制御を実施することが可能である。

（本実施形態の作用効果）
　上述した実施形態による力覚センサ６０は、ロボットアーム２０ａの先端部に固定されたセンサ本体６１（固定部）と、センサ本体６１に連結部６３を介して連結され、かつ、外部から作用する力を受けてセンサ本体６１に対して相対移動可能である可動部６２と、可動部６２の変化の検出をすることにより前記外部から作用する力を検出する検出部６４と、可動部６２に備えられ、ロボットアーム２０ａの先端部に取り付けられるエンドエフェクタ部７０が取付可能である第１取付部６２ｅと、可動部６２に備えられ、人が握ってロボットアーム２０ａを動かすことが可能であるハンドル部８０が取付可能である第２取付部６２ｆと、を備えている。

　本実施形態によれば、力覚センサ６０は、可動部６２の第１取付部６２ｅにエンドエフェクタ部７０を取り付けるとともに第２取付部６２ｆにハンドル部８０を取り付けることが可能となる。よって、この力覚センサ６０は、エンドエフェクタ部７０に作用する力とハンドル部８０に作用する力の少なくとも一方を検出することが可能となる。その結果、大型化・高コスト化を招くことなく、１つの力覚センサ６０によって少なくとも２つの力（２以上の力）を検出することが可能となる。

　また、力覚センサ６０は、エンドエフェクタ部７０側から可動部６２に向かう第１方向に力が作用した場合に、可動部６２の前記第１方向への移動が規制可能である第１フランジ部６５（第１移動規制部）と、ハンドル部８０側から可動部６２に向かう第２方向に力が作用した場合に、可動部６２の前記第２方向への移動が規制可能である第２フランジ部６６（第２移動規制部）と、を備えている。
　これによれば、第１フランジ部６５及び第２フランジ部６６が可動部６２の過度な移動を抑制することが可能となり、連結部６３ひいては検出部６４への過度な力が加わるのを抑制することが可能となる。よって、力覚センサ６０の分解能を高く維持することと許容過負荷量の向上の両立を図ることが可能となる。

　また、第１フランジ部６５は、外部から力が作用していない通常状態である可動部６２が通常状態から所定量だけ傾斜した傾斜状態以上に傾斜する移動をさらに規制し、第２フランジ部６６は、外部から力が作用していない通常状態である可動部６２が通常状態から所定量だけ傾斜した傾斜状態以上に傾斜する移動をさらに規制する。
　これによれば、第１フランジ部６５及び第２フランジ部６６が可動部６２の過度な移動をより抑制することが可能となり、連結部６３ひいては検出部６４への過度な力が加わるのをより抑制することが可能となる。よって、力覚センサ６０の分解能を高く維持することと許容過負荷量の向上の両立を図ることが可能となる。

　また、第１フランジ部６５および第２フランジ部６６は、可動部６２側に設けられている。
　これによれば、簡単な構成により、第１フランジ部６５及び第２フランジ部６６が可動部６２の過度な移動の抑制することが可能となり、連結部６３ひいては検出部６４への過度な力が加わるのを抑制することが可能となる。

　センサ本体６１は、センサ本体６１に貫通して形成された貫通穴を備えかつ貫通穴内に可動部６２を移動可能に収容する可動部収容部６１ｃを備え、可動部６２は、可動部収容部６１ｃの内壁面に複数の連結部６３を介して連結された側壁面６２ｂと、第１底面６２ｃ及び第２底面６２ｄと、を備えた柱体である可動部本体６２ａを有し、第１取付部６２ｅは、第１底面６２ｃ及び第２底面６２ｄの何れか一方に形成され、第２取付部６２ｆは、第１底面６２ｃ及び第２底面６２ｄの何れか他方に形成されている。
　これによれば、第１取付部６２ｅと第２取付部６２ｆとを平行な２面（第１底面６２ｃ及び第２底面６２ｄ）に設けることが可能となり、エンドエフェクタ部７０とハンドル部８０とを同一軸上に配設することが可能となる。よって、エンドエフェクタ部７０とハンドル部８０に作用する力の３軸座標系を共通化することにより、エンドエフェクタ部７０とハンドル部８０に作用する力の検出（演算）処理を容易にすることが可能となる。

　センサ本体６１は、センサ本体６１に貫通して形成された貫通穴を備えかつ貫通穴内に可動部６２を移動可能に収容する可動部収容部６１ｃを備え、可動部６２は、可動部収容部６１ｃの内壁面に複数の連結部６３を介して連結された側壁面６２ｂと、第１底面６２ｃ及び第２底面６２ｄと、を備えた柱体である可動部本体６２ａを有し、第１取付部６２ｅは、第１底面６２ｃ及び第２底面６２ｄの何れか一方に形成され、第２取付部６２ｆは、第１底面６２ｃ及び第２底面６２ｄの何れか他方に形成され、第１フランジ部６５は、第１取付部６２ｅに設けられかつ可動部収容部６１ｃの範囲から外側にはみ出して設けられ、センサ本体６１の一方の面と接触することにより可動部６２の移動を規制し、第２フランジ部６６は、第２取付部６２ｆに設けられかつ可動部収容部６１ｃの範囲から外側にはみ出して設けられ、センサ本体６１の他方の面と接触することにより可動部６２の移動を規制する。
　これによれば、簡単な構成により、第１フランジ部６５及び第２フランジ部６６が可動部６２の過度な移動の抑制することが可能となり、連結部６３ひいては検出部６４への過度な力が加わるのを抑制することが可能となる。

　また、協働ロボット２０は、力覚センサ６０を備えたロボットアーム２０ａを備えている。エンドエフェクタ部７０は第１取付部６２ｅに取り付けられるとともにハンドル部８０は第２取付部６２ｆに取り付けられ、ハンドル部８０は、人がロボットアーム２０ａにエンドエフェクタ部７０のたどる軌道を教示するための教示部であり、協働ロボット２０は、操作者（人）が教示部を操作してロボットアーム２０ａを直接動かすことにより、ロボットアーム２０ａに前記軌道及びハンドル部８０に作用する力を教示するダイレクトティーチング制御を実施可能である。
　これによれば、ダイレクトティーチング制御を実施可能である協働ロボット２０において、力覚センサ６０は、可動部６２の第１取付部６２ｅにエンドエフェクタ部７０を取り付けるとともに第２取付部６２ｆにハンドル部８０を取り付けることが可能となる。よって、この力覚センサ６０は、エンドエフェクタ部７０に作用する力とハンドル部８０に作用する力の少なくとも一方を検出することが可能となる。その結果、大型化・高コスト化を招くことなく、１つの力覚センサ６０によって少なくとも２つの力（２以上の力）を検出することが可能となる。

　なお、上述した実施形態においては、第１移動規制部（第１フランジ部６５）および第２移動規制部（第２フランジ部６６）は、可動部６２側に設けられたが、センサ本体６１（固定部）に設けるようにしてもよい。この場合、可動部６２の厚みはセンサ本体６１の厚みより薄く設定されている。第１移動規制部及び第２移動規制部は環状板部材で構成され、環状の空間が可動部６２に臨むように配設されてセンサ本体６１に固定されている。エンドエフェクタ部７０及びハンドル部８０は可動部６２に直接固定されている。これによっても、第１移動規制部及び第２移動規制部が可動部６２の過度な移動を抑制することが可能となり、連結部６３ひいては検出部６４への過度な力が加わるのを抑制することが可能となる。よって、力覚センサ６０の分解能を高く維持することと許容過負荷量の向上の両立を図ることが可能となる。

　また、上述した力覚センサ６０を備えたロボットアーム２０ａは、倣い制御を実施可能であるロボットにも適用可能である。この場合、エンドエフェクタ部７０は第１取付部６２ｅに取り付けられている。倣い制御を実施可能であるロボットは、エンドエフェクタ部７０が該エンドエフェクタ部７０のたどる軌道に沿うようにロボットアーム２０ａを制御する倣い制御であって、前記倣い制御中に前記力覚センサ６０によってエンドエフェクタ部７０に作用する力を検出する倣い制御を実施可能である。
　これによれば、倣い制御を実施可能であるロボットにおいて、力覚センサ６０は、可動部６２の第１取付部６２ｅにエンドエフェクタ部７０を取り付けるとともに第２取付部６２ｆにハンドル部８０を取り付けることが可能となる。よって、この力覚センサ６０は、エンドエフェクタ部７０に作用する力とハンドル部８０に作用する力の少なくとも一方を検出することが可能となる。その結果、大型化・高コスト化を招くことなく、１つの力覚センサ６０によって少なくとも２つの力（２以上の力）を検出することが可能となる。

　また、上述した実施形態においては、固定部である枠部６１ｄすなわちセンサ本体６１の内側に可動部６２が配設されていたが、固定部の外側に可動部を配設するようにしてもよい。この場合、センサ本体６１の先端部６１ｂの外側を覆うようにＵ字状に形成された可動部を配設すればよい。連結部は、センサ本体６１の先端部６１ｂの外壁面と可動部の内壁面とを連結する。可動部の両側には、それぞれ第１移動規制部及び第２移動規制部が設けられ、可動部、第１移動規制部及び第２移動規制部によって先端部６１ｂを覆うような構成となる。第１移動規制部にエンドエフェクタ部７０が取り付けられ、第２移動規制部にハンドル部８０が取り付けられる。

　また、上述した実施形態においては、可動部６２にエンドエフェクタ部７０が取付可能である第１取付部６２ｅとハンドル部８０が取付可能である第２取付部６２ｆとを設けることにより可動部６２に２つの力が作用（入力）するような構造としたが、他の力が作用可能な入力部材が取付可能である他の取付部をさらに設けるようにしてもよい。これによれば、１つの力覚センサ６０によって少なくとも３つの力（３以上の力）を検出することが可能となる。

　２０…協働ロボット、２０ａ…ロボットアーム、６０…力覚センサ、６１…センサ本体（固定部）、６１ｃ…可動部収容部、６２…可動部、６２ａ…可動部本体、６２ｂ…側壁面、６２ｃ…第１底面、６２ｄ…第２底面、６２ｅ…第１取付部、６２ｆ…第２取付部、６３…連結部、６４…検出部、６５…第１フランジ部（第１移動規制部）、６６…第２フランジ部（第２移動規制部）、７０…エンドエフェクタ部、８０…ハンドル部。

Claims

　ロボットアームの先端部に固定された固定部と、
　前記固定部に連結部を介して連結され、かつ、外部から作用する力を受けて前記固定部に対して相対移動可能である可動部と、
　前記可動部の変化の検出をすることにより前記外部から作用する力を検出する検出部と、
　前記可動部に備えられ、前記ロボットアームの先端部に取り付けられるエンドエフェクタ部が取付可能である第１取付部と、
　前記可動部に備えられ、人が握って前記ロボットアームを動かすことが可能であるハンドル部が取付可能である第２取付部と、を備えた力覚センサ。
　前記エンドエフェクタ部側から前記可動部に向かう第１方向に力が作用した場合に、前記可動部の前記第１方向への移動が規制可能である第１移動規制部と、
　前記ハンドル部側から前記可動部に向かう第２方向に力が作用した場合に、前記可動部の前記第２方向への移動が規制可能である第２移動規制部と、を備えた請求項１に記載の力覚センサ。
　前記第１移動規制部は、前記外部から前記力が作用していない通常状態である前記可動部が前記通常状態から所定量だけ傾斜した傾斜状態以上に傾斜する移動をさらに規制し、
　前記第２移動規制部は、前記外部から前記力が作用していない通常状態である前記可動部が前記通常状態から所定量だけ傾斜した傾斜状態以上に傾斜する移動をさらに規制する請求項２に記載の力覚センサ。
　前記第１移動規制部および前記第２移動規制部は、前記可動部側に設けられた請求項２または請求項３に記載の力覚センサ。
　前記固定部は、前記固定部に貫通して形成された貫通穴を備えかつ前記貫通穴内に前記可動部を移動可能に収容する可動部収容部を備え、
　前記可動部は、前記可動部収容部の内壁面に複数の前記連結部を介して連結された側壁面と、二つの底面と、を備えた柱体である可動部本体を有し、
　前記第１取付部は、前記二つの底面の何れか一方に形成され、
　前記第２取付部は、前記二つの底面の何れか他方に形成された請求項１～請求項４の何れか一項に記載の力覚センサ。
　前記固定部は、前記固定部に貫通して形成された貫通穴を備えかつ前記貫通穴内に前記可動部を移動可能に収容する可動部収容部を備え、
　前記可動部は、前記可動部収容部の内壁面に複数の前記連結部を介して連結された側壁面と、二つの底面と、を備えた柱体である可動部本体を有し、
　前記第１取付部は、前記二つの底面の何れか一方に形成され、
　前記第２取付部は、前記二つの底面の何れか他方に形成され、
　前記第１移動規制部は、前記第１取付部に設けられかつ前記貫通穴の範囲から外側にはみ出して設けられ、前記固定部の一方の面と接触することにより前記可動部の移動を規制し、
　前記第２移動規制部は、前記第２取付部に設けられかつ前記貫通穴の範囲から外側にはみ出して設けられ、前記固定部の他方の面と接触することにより前記可動部の移動を規制する請求項２～請求項４の何れか一項に記載の力覚センサ。
　請求項１～請求項６の何れか一項に記載の前記力覚センサを備えた前記ロボットアームを備えた協働ロボットであって、
　前記エンドエフェクタ部は前記第１取付部に取り付けられるとともに前記ハンドル部は前記第２取付部に取り付けられ、
　前記ハンドル部は、人が前記ロボットアームに前記エンドエフェクタ部のたどる軌道を教示するための教示部であり、
　前記人が前記教示部を操作して前記ロボットアームを直接動かすことにより、前記ロボットアームに前記軌道及び前記ハンドル部に作用する力を教示するダイレクトティーチング制御を実施可能である協働ロボット。
　請求項１～請求項６の何れか一項に記載の前記力覚センサを備えた前記ロボットアームを備えたロボットであって、
　前記エンドエフェクタ部は前記第１取付部に取り付けられ、
　前記エンドエフェクタ部が該エンドエフェクタ部のたどる軌道に沿うように前記ロボットアームを制御する倣い制御であって、前記倣い制御中に前記力覚センサによって前記エンドエフェクタ部に作用する力を検出する前記倣い制御を実施可能であるロボット。