(57)【要約】      （修正有）【課題】外力の検出において検出感度を向上させることができる力検出装置およびその力検出装置を用いたロボットを提供する。【解決手段】力検出装置は、板状をなした第１の部材４と、前記第１の部材と対向配置され、板状をなした第２の部材５と、前記第１の部材と前記第２の部材との間に設けられた弾性体６と、前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた複数の感圧素子３とを備え、前記弾性体６の前記第１の部材側４の面の面積は、前記弾性体６の前記第２の部材側５の面の面積よりも大きい。また、前記第１の部材４および前記第２の部材５は、それぞれ、板状をなしている。また、前記弾性体６は、３つ以上設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状をなした第１の部材と、
前記第１の部材と対向配置され、板状をなした第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に設けられた弾性体と、
前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた複数の感圧素子とを備え、
前記弾性体の前記第１の部材側の面の面積は、前記弾性体の前記第２の部材側の面の面積よりも大きいことを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
前記第２の部材の平面視で、前記第２の部材上に基準点を設定し、前記基準点の回りに配置された前記弾性体を３つ以上有しており、
前記第２の部材の平面視で、前記３つ以上の弾性体のそれぞれにおいて、前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた２つの前記感圧素子は、前記基準点および前記弾性体の中心を通る直線を想定したとき、前記直線を挟んで前記直線の両側に配置されている請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記第２の部材の平面視で、前記第２の部材上に基準点を設定し、前記基準点の回りに配置された前記弾性体を４つ有しており、
前記第２の部材の平面視で、前記４つの弾性体のそれぞれにおいて、前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた２つの前記感圧素子は、前記基準点および前記弾性体の中心を通る直線を想定したとき、前記直線を挟んで前記直線の両側に配置されている請求項１に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記第２の部材の平面視で、前記２つの感圧素子は、前記直線に対して線対称に配置されている請求項２または３に記載の力検出装置。
【請求項５】
前記第２の部材の平面視で、前記３つ以上の弾性体は、前記弾性体の中心と前記基準点との距離が等距離となり、かつ等角度間隔で配置されている請求項２ないし４のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記第２の部材の平面視で、前記弾性体の前記第２の部材側の面は、前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた前記複数の感圧素子を包含している請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記弾性体の前記第２の部材側の面は、円形をなしている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項８】
前記弾性体の前記第１の部材側の面は、円形をなしている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項９】
前記弾性体の前記第１の部材側の面の面積Ｓ１と前記第２の部材側の面の面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２は、１．１以上、９以下である請求項１ないし８のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１０】
前記弾性体と前記第２の部材との間に２つの前記感圧素子が配置されており、
前記２つの感圧素子は、半円状をなし、前記２つの感圧素子の前記半円状の円弧の両端部を結ぶ直線部が対向配置されている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１１】
前記感圧素子は、互いに対向するように配置された１対の電極と、
前記１対の電極の間に設けられ、弾性を有する母材と、前記母材中に分散され、導電性を有する複数のフィラーとを有する層を備えている請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１２】
前記弾性体と前記複数の感圧素子との間に設けられ、可撓性を有する基板と、
前記複数の感圧素子を囲うように設けられ、前記基板と前記第２の部材とを接着する接着剤層とを備える請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の力検出装置。
【請求項１３】
アームを複数有し、前記複数のアームの隣り合う前記アーム同士を回動自在に連結してなる少なくとも１つのアーム連結体と、
前記アーム連結体の先端側に設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム連結体と前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、板状をなした第１の部材と、
前記第１の部材と対向配置され、板状をなした第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に設けられた弾性体と、
前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた複数の感圧素子とを備え、
前記弾性体の前記第１の部材側の面の面積は、前記弾性体の前記第２の部材側の面の面積よりも大きいことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出装置およびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産効率向上を目的として、工場等の生産施設への産業用ロボット導入が進められている。このような産業ロボットは、１軸または複数軸方向に対して駆動可能なアームと、アーム先端側に取り付けられる、ハンド、部品検査用器具または部品搬送用器具等のエンドエフェクタとを備えており、部品の組み付け作業、部品加工作業等の部品製造作業、部品搬送作業および部品検査作業等を実行することができる。
【０００３】
このような産業用ロボットにおいては、例えば、アームとエンドエフェクタとの間に、力検出装置が設けられている。産業用ロボットに用いられる力検出装置としては、例えば、特許文献１に開示されているような力検出装置が用いられる。特許文献１に記載の力検出装置は、基板と、基板上に設けられ、行列状に配置された多数の感圧素子と、感圧素子上に設けられ、半円球状をなす弾性体の部位を有する複数の接触子とを備えている。各接触子は、それぞれ、多数の感圧素子上に設けられている。また、接触子の横断面での面積は、感圧素子の反対側（上側）よりも感圧素子側（下側）の方が大きくなっている。このような構成を有することにより、特許文献１に記載の力検出装置は、加えられた外力を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１６４５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の力検出装置では、接触子の横断面での面積が、感圧素子の反対側よりも感圧素子側の方が大きくなっているので、加えられる外力を感圧素子に集中させることができず、感度が悪いという欠点がある。
本発明の目的は、外力の検出において検出感度を向上させることができる力検出装置およびその力検出装置を用いたロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の力検出装置は、板状をなした第１の部材と、
前記第１の部材と対向配置され、板状をなした第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に設けられた弾性体と、
前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた複数の感圧素子とを備え、
前記弾性体の前記第１の部材側の面の面積は、前記弾性体の前記第２の部材側の面の面積よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
この本発明では、弾性体の第１の部材側の面の面積は、その第２の部材側の面の面積よりも大きいので、潰れ難く、信頼性が高い。また、弾性体の第２の部材側の面の面積は、その第１の部材側の面の面積よりも小さいので、加えられる外力を感圧素子に集中させることができ、これにより、外力の検出において検出感度を向上させることができる。
また、１つの弾性体に対して複数の感圧素子が設けられているので、例えば、圧力の他、せん断力等を検出することができる。
【０００８】
本発明の力検出装置では、前記第２の部材の平面視で、前記第２の部材上に基準点を設定し、前記基準点の回りに配置された前記弾性体を３つ以上有しており、
前記第２の部材の平面視で、前記３つ以上の弾性体のそれぞれにおいて、前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた２つの前記感圧素子は、前記基準点および前記弾性体の中心を通る直線を想定したとき、前記直線を挟んで前記直線の両側に配置されていることが好ましい。
これにより、少ない数の感圧素子を用いて、互いに直交する３軸の回りのモーメント、互いに直交する２軸の方向のせん断力を検出することができる。
【０００９】
本発明の力検出装置では、前記第２の部材の平面視で、前記第２の部材上に基準点を設定し、前記基準点の回りに配置された前記弾性体を４つ有しており、
前記第２の部材の平面視で、前記４つの弾性体のそれぞれにおいて、前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた２つの前記感圧素子は、前記基準点および前記弾性体の中心を通る直線を想定したとき、前記直線を挟んで前記直線の両側に配置されていることが好ましい。
これにより、少ない数の感圧素子を用いて、互いに直交する３軸の回りのモーメント、互いに直交する２軸の方向のせん断力を検出することができる。
【００１０】
本発明の力検出装置では、前記第２の部材の平面視で、前記２つの感圧素子は、前記直線に対して線対称に配置されていることが好ましい。
これにより、少ない数の感圧素子を用いて、互いに直交する３軸の回りのモーメント、互いに直交する２軸の方向のせん断力をより容易に検出することができる。
本発明の力検出装置では、前記第２の部材の平面視で、前記３つ以上の弾性体は、前記弾性体の中心と前記基準点との距離が等距離となり、かつ等角度間隔で配置されていることが好ましい。
これにより、偏りなく外力を検出することができる。
【００１１】
本発明の力検出装置では、前記第２の部材の平面視で、前記弾性体の前記第２の部材側の面は、前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた前記複数の感圧素子を包含していることが好ましい。
これにより、加わった外力を精度良く感圧素子に伝達することができる。
本発明の力検出装置では、前記弾性体の前記第２の部材側の面は、円形をなしていることが好ましい。
これにより、平面視で、加わる外力の方向による弾性体の変形量の依存性を抑制することができる。
【００１２】
本発明の力検出装置では、前記弾性体の前記第１の部材側の面は、円形をなしていることが好ましい。
これにより、平面視で、加わる外力の方向による弾性体の変形量の依存性を抑制することができる。
本発明の力検出装置では、前記弾性体の前記第１の部材側の面の面積Ｓ１と前記第２の部材側の面の面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２は、１．１以上、９以下であることが好ましい。
これにより、より潰れ難くすることができ、また、加えられる外力を感圧素子に集中させることができる。
【００１３】
本発明の力検出装置では、前記弾性体と前記第２の部材との間に２つの前記感圧素子が配置されており、
前記２つの感圧素子は、半円状をなし、前記２つの感圧素子の前記半円状の円弧の両端部を結ぶ直線部が対向配置されていることが好ましい。
これにより、弾性体の第２の部材側の面が円形をなしている場合、その弾性体を安定して支持することができ、平面視で、加わる外力の方向による弾性体の変形量の依存性を抑制することができる。
【００１４】
本発明の力検出装置では、前記感圧素子は、互いに対向するように配置された１対の電極と、
前記１対の電極の間に設けられ、弾性を有する母材と、前記母材中に分散され、導電性を有する複数のフィラーとを有する層を備えていることが好ましい。
これにより、簡易な構成で、外力を検出することができる。
【００１５】
本発明の力検出装置では、前記弾性体と前記複数の感圧素子との間に設けられ、可撓性を有する基板と、
前記複数の感圧素子を囲うように設けられ、前記基板と前記第２の部材とを接着する接着剤層とを備えることが好ましい。
これにより、簡易な構成で、外力を検出することができる。
【００１６】
本発明のロボットは、アームを複数有し、前記複数のアームの隣り合う前記アーム同士を回動自在に連結してなる少なくとも１つのアーム連結体と、
前記アーム連結体の先端側に設けられたエンドエフェクタと、
前記アーム連結体と前記エンドエフェクタの間に設けられ、前記エンドエフェクタに加えられる外力を検出する力検出装置とを備え、
前記力検出装置は、板状をなした第１の部材と、
前記第１の部材と対向配置され、板状をなした第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に設けられた弾性体と、
前記弾性体と前記第２の部材との間に設けられた複数の感圧素子とを備え、
前記弾性体の前記第１の部材側の面の面積は、前記弾性体の前記第２の部材側の面の面積よりも大きいことを特徴とする。
【００１７】
これにより、前記本発明の力検出装置と同様の効果が得られる。そして、力検出装置が検出した外力をフィードバックし、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置が検出した外力によって、エンドエフェクタの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、より安全に作業を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の力検出装置の第１実施形態を示す平面図である。
【図２】図１に示す力検出装置の側面図である。
【図３】弾性体の他の構成例を示す側面図である。
【図４】本発明の力検出装置の第２実施形態を示す平面図である。
【図５】図４に示す力検出装置の側面図である。
【図６】本発明の力検出装置の第３実施形態を示す側面図（一部断面図）である。
【図７】本発明の力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。
【図８】本発明の力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の力検出装置およびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の力検出装置の第１実施形態を示す平面図である。図２は、図１に示す力検出装置の側面図である。図３は、弾性体の他の構成例を示す側面図である。
【００２０】
なお、以下では、説明の都合上、図２、図３中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。また、図１には、互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を有する３次元座標を想定する。そして、平面視（第１の基板４および第２の基板５の平面視）で、前記３次元座標の原点（第２の基板５上）に、基準点Ｐを設定する。また、各感圧素子３の出力値、すなわち、各感圧素子３から出力される電圧の値（電圧値）をそれぞれ図１に示すように、１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂとし、対応する感圧素子３に記載する。
【００２１】
図１および図２に示す力検出装置１は、外力（モーメントを含む）を検出する機能を有する。この力検出装置１は、加えられた外力に応じて信号を出力する検出部２と、図示しない外力検出回路とを備えている。
図１および図２に示すように、検出部２は、互いに対向配置された第１の基板（第１の部材）４および第２の基板（第２の部材）５と、加えられた外力に応じて信号を出力する８つの感圧素子３と、４つの弾性体６とを有している。なお、第１の基板４と、第２の基板５とのいずれを力が加わる側の基板としてもよいが、本実施形態では、第１の基板４を力が加わる側の基板として説明する。また、感圧素子３の数、弾性体６の数は、それぞれ、前記の数に限定されるものではなく、感圧素子３の数は、例えば、２つでもよく、また、弾性体６の数は、例えば、１つでもよい。
【００２２】
第１の基板４、第２の基板５の形状は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態では、正方形（四角形）をなしている。この第１の基板４と第２の基板５とは、所定距離を隔てて、互いに対向するように設置されている。なお、第１の基板４、第２の基板５の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、各種の樹脂材料等を用いることができる。
各感圧素子３は、それぞれ、第１の基板４と第２の基板５との間に設けられている。各感圧素子３は、同様であるので、以下では、代表的に、１つの感圧素子３について説明する。なお、ここでは、感圧素子３の構造を中心に説明し、各感圧素子の配置や形状等については、後で述べる。
【００２３】
感圧素子３は、互いに対向するように配置された１対の電極３１、３２と、その１対の電極３１、３２の間に設けられた感圧導電体層３３とを有している。電極３２は、１つの弾性体６に対応するように設けられた１対の感圧素子３の共通電極であり、第２の基板５側（弾性体６と反対側）に配置されている。また、電極３１は、個別電極であり、第１の基板４側（弾性体６側）に配置されている。なお、電極３１を共通電極とし、電極３２を個別電極としてもよく、また、電極３１、３２をそれぞれ個別電極としてもよい。
【００２４】
電極３１、３２の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄またはこれらを含む合金等が挙げられる。
感圧導電体層３３は、弾性を有する層状の母材と、その母材中に分散され、導電性を有する複数のフィラーとを備えている。この感圧導電体層３３は、加わった力に応じて変形し、接触し合うフィラーの量や面積が変化し、これにより、感圧素子３から、加わった力に応じた電圧（信号）が出力される。
【００２５】
感圧導電体層３３の母材の構成材料としては、絶縁性を有する弾性材料であれば特に限定されず、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、ヒドリンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムのような各種ゴム材料や、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマーが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を混合して用いることができる。
【００２６】
また、感圧導電体層３３のフィラーの構成材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、金、チタニウム、アルミニウム、銅、鉄またはこれらを含む合金、カーボン等が挙げられる。
各弾性体６は、それぞれ、第１の基板４と１対の感圧素子３との間に設けられている。すなわち、１対の感圧素子３に対して１つの弾性体６が設けられている。第１の基板４に加わった外力は、各弾性体６を介して、それぞれ、対応する１対の感圧素子３に伝達される。各弾性体６は、同様であるので、以下では、代表的に、１つの弾性体６について説明する。
【００２７】
弾性体６は、第１の基板４側から第２の基板５側に向って横断面での面積が漸減する部位を有しており、弾性体６の第１の基板４側の面、すなわち上面６１の面積Ｓ１は、第２の基板５側の面、すなわち下面６２の面積Ｓ２よりも大きい。具体的には、弾性体６は、円錐台状をなしている。すなわち、弾性体６の上面６１および下面６２は、それぞれ、円形をなし、上面６１の中心軸と下面６２の中心軸とは一致しており、弾性体６の横断面での面積は、上面６１から下面６２まで漸減している。
弾性体６の上面６１および下面６２が、それぞれ、円形をなすことにより、平面視で、第１の基板４に加わる外力の方向による弾性体６の変形量の依存性を抑制することができる。すなわち、平面視で、第１の基板４に加わるすべての方向の外力を適正（均一）に検出することができる。
【００２８】
また、弾性体６の第１の基板４側の面の面積は、第２の基板５側の面の面積よりも大きいので、検出部２の第１の基板４において、その下方に弾性体６のない部位が少なくなり、検出部２が潰れ難く、信頼性が高くなる。また、弾性体６の第２の基板５側の面の面積は、第１の基板４側の面の面積よりも小さいので、第１の基板４に加えられる外力を感圧素子３に集中させることができ、これにより、外力の検出において検出感度を向上させることができる。
【００２９】
また、弾性体６の上面６１の面積Ｓ１と下面の面積Ｓ２との比Ｓ１／Ｓ２は、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、１．１以上、９以下であることが好ましく、２以上、４以下であることがより好ましい。これにより、検出部２をより潰れ難くすることができ、また、第１の基板４に加えられる外力を感圧素子３に集中させることができる。
また、弾性体６の上面６１の面積Ｓ１は、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、５ｍｍ２以上、５００ｍｍ２以下であることが好ましく、１０ｍｍ２以上、１００ｍｍ２以下であることがより好ましい。これにより、検出部２をより潰れ難くすることができる。
【００３０】
また、弾性体６の下面６２の面積Ｓ２は、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、０．５ｍｍ２以上、３００ｍｍ２以下であることが好ましく、３ｍｍ２以上、３０ｍｍ２以下であることがより好ましい。これにより、第１の基板４に加えられる外力を感圧素子３に集中させることができる。
また、弾性体６の図１中の上下方向（軸方向）の長さＬは、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、０．５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることがより好ましい。これにより、第１の基板４に加えられる外力を感圧素子３に伝達することができる。
【００３１】
各弾性体６は、平面視で、基準点Ｐの回りに配置されている。この場合、各弾性体６は、平面視で、弾性体６の中心と基準点Ｐとの距離が等距離となり、かつ等角度間隔（図示の構成では、９０°間隔）で配置されている。すなわち、各弾性体６は、平面視で、基準点Ｐを中心とする同一の円上に、等角度間隔で配置されている。また、２つの弾性体６の平面視での中心は、それぞれ、ｘ軸（直線）上に位置し、また、残りの２つの弾性体６の平面視での中心は、それぞれ、ｙ軸（直線）上に位置している。これにより、偏りなく外力を検出することができる。なお、ｘ軸は、基準点Ｐおよび前記２つの弾性体６の中心を通る直線であり、ｙ軸は、基準点Ｐおよび前記残りの２つの弾性体６の中心を通る直線である。
【００３２】
なお、弾性体６の構成材料としては、弾性材料であれば特に限定されず、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、ヒドリンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムのような各種ゴム材料や、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマーが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を混合して用いることができる。
【００３３】
以下では、各感圧素子３を区別しない場合は、「感圧素子３」と言い、区別する場合は、「感圧素子１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ」と言う。
各感圧素子１Ｂ、１Ａ、２Ｂ、２Ａ、３Ｂ、３Ａ、４Ｂ、４Ａ、は、図１中の時計回りに、この順序で配置されている。そして、１対の感圧素子１Ａ、１Ｂは、共通の弾性体６の下方に配置されている。また、同様に、１対の感圧素子２Ａ、２Ｂは、共通の弾性体６の下方に配置されている。また、同様に、１対の感圧素子３Ａ、３Ｂは、共通の弾性体６の下方に配置されている。また、同様に、１対の感圧素子４Ａ、４Ｂは、共通の弾性体６の下方に配置されている。
【００３４】
前述したように、１対の感圧素子１Ａ、１Ｂおよびその上方に設置された弾性体６と、１対の感圧素子２Ａ、２Ｂおよびその上方に設置された弾性体６と、１対の感圧素子３Ａ、３Ｂおよびその上方に設置された弾性体６と、１対の感圧素子４Ａ、４Ｂおよびその上方に設置された弾性体６とは、同様であるので、以下では、代表的に、感圧素子１Ａ、１Ｂおよびその上方に設置された弾性体６について説明する。
【００３５】
まず、感圧素子１Ａ、１Ｂは、それぞれ、平面視で、半円状をなしている。また、平面視で、感圧素子１Ａと感圧素子１Ｂは、ｙ軸を挟んで、互いに離間するようにｙ軸の両側に配置されている。また、感圧素子１Ａと感圧素子１Ｂは、ｙ軸に対して線対称に配置されている。また、平面視で、感圧素子１Ａと感圧素子１Ｂは、感圧素子１Ａの半円状の円弧の両端部を結ぶ直線部と感圧素子１Ｂの半円状の円弧の両端部を結ぶ直線部とが対向配置されている。なお、半円状には、完全な半円のみならず、半円の一部が欠けているもの等も含まれる。
これにより、弾性体６を安定して支持することができ、平面視で、第１の基板４に加わる外力の方向による弾性体６の変形量の依存性を抑制することができる。すなわち、平面視で、第１の基板４に加わるすべての方向の外力を適正（均一）に検出することができる。
【００３６】
なお、平面視で、感圧素子３Ａと感圧素子３Ｂは、ｙ軸に対して線対称に配置されており、感圧素子２Ａと感圧素子２Ｂは、ｘ軸に対して線対称に配置されており、感圧素子４Ａと感圧素子４Ｂは、ｘ軸に対して線対称に配置されている。
ここで、感圧素子１Ａ、１Ｂの平面視で、弾性体６の第２の基板５側の面、すなわち、下面６２は、感圧素子１Ａ、１Ｂを包含している。この場合、下面６２の円は、感圧素子１Ａ、１Ｂで形成される円よりも若干大きい。これにより、弾性体６の上面６１に加わった外力を感圧素子１Ａ、１Ｂに伝達することができる。
【００３７】
なお、感圧素子１Ａ、１Ｂの平面視で、弾性体６の第２の下面６２が感圧素子１Ａ、１Ｂを包含していなくてもよく、また、弾性体６の上面６１、下面６２は、それぞれ、円形でなくてもよいことは、言うまでもない。弾性体６の上面６１、下面の他の形状としては、例えば、三角形、四角形、五角形等の多角形、楕円、半楕円、半円等が挙げられる。
また、感圧素子１Ａ、１Ｂの形状は、それぞれ、平面視で、半円状に限らず、その他、例えば、三角形、四角形、五角形等の多角形、楕円、半楕円、円等が挙げられる。
なお、検出部２の各部の接合方法は、特に限定されず、例えば、接着剤による接着等が挙げられる。
【００３８】
ここで、弾性体６の形状は、前述したものには限定されず、その上面６１の面積が下面６２の面積よりも大きいものであればいかなる形状であってもよい。以下、図３に基づいて、弾性体６の他の構成例を説明する。
図３（ａ）に示す弾性体６は、側面が湾曲凹面になっている。また、図３（ｂ）に示す弾性体６は、側面が湾曲凸面になっている。また、図３（ｃ）に示す弾性体６は、側面に段差が形成されている。また、図３（ｄ）に示す弾性体６は、第１の基板４側から第２の基板５側に向って横断面での面積が漸減する部位の他、図中の上下方向の途中に、第１の基板４側から第２の基板５側に向って横断面での面積が漸増する部位を有している。
【００３９】
次に、力検出装置１の図示しない外力検出回路について説明する。
検出部２で検出された信号（電圧）は、図示しない外力検出回路に入力される。
外力検出回路は、入力された信号を用いて、下記のように演算し、出力する機能を有する。すなわち、外力検出回路は、下記のようにして、第１の基板４の全面に加わる圧力Ｆａ、ｘ軸方向のせん断力Ｆｘ、ｙ軸方向のせん断力Ｆｙ、ｘ軸回りのモーメントＭｘ、ｙ軸回りのモーメントＭｙ、ｚ軸回りのモーメントＭｚを求め、出力する。
【００４０】
なお、例えば、ｘ軸方向の正方向にせん断力が加わると、感圧素子１Ａ、１Ｂ上の弾性体６は、ｘ軸方向の正方向に向って倒れるように変形する。これにより、弾性体６の感圧素子１Ａ側の部位は圧縮されて収縮し、感圧素子１Ｂ側の部位は相対的に伸長する。このため、ｘ軸方向のせん断力Ｆｘは、電圧値１ａと電圧値１ｂとの差分に比例する。せん断力は、この原理を用いて算出している。
また、例えば、ｘ軸回りのモーメントＭｘが加わると、感圧素子１Ａ、３Ａ上の弾性体６の一方は、圧縮されて収縮し、他方は、相対的に伸長する。このため、ｘ軸回りのモーメントＭｘは、電圧値１ａと電圧値３ａとの差分に比例する。モーメントは、この原理を用いて算出している。
【００４１】
まず、第１の基板４の全面に加わる圧力Ｆａは、下記のようにして求める。
Ｆａ＝（１ａ＋１ｂ）＋（２ａ＋２ｂ）＋（３ａ＋３ｂ）＋（４ａ＋４ｂ）
また、ｘ軸方向のせん断力Ｆｘは、下記のようにして求める。
Ｆｘ∝（１ａ−１ｂ）＋（３ｂ−３ａ）
また、ｙ軸方向のせん断力Ｆｙは、下記のようにして求める。
Ｆｙ∝（４ａ−４ｂ）＋（２ｂ−２ａ）
【００４２】
また、ｘ軸回りのモーメントはＭｘ、下記のようにして求める。
Ｍｘ∝（３ａ＋３ｂ）−（１ａ＋１ｂ）
また、ｙ軸回りのモーメントＭｙは、下記のようにして求める。
Ｍｙ∝（２ａ＋２ｂ）−（４ａ＋４ｂ）
また、ｚ軸回りのモーメントＭｚは、下記のようにして求める。
Ｍｚ∝（１ａ−１ｂ）＋（２ａ−２ｂ）＋（３ａ−３ｂ）＋（４ａ−４ｂ）
【００４３】
以上説明したように、この力検出装置１によれば、弾性体６の上面６１の面積は、その下面６２の面積よりも大きいので、潰れ難く、信頼性が高い。
また、弾性体６の下面６２の面積は、その上面６１の面積よりも小さいので、加えられる外力を感圧素子３に集中させることができ、これにより外力を検出することができる。
また、１つの弾性体６に対して１対の感圧素子３が設けられているので、せん断力を検出することができる。
【００４４】
また、１対の感圧素子３を４組有しているので、ｘ軸回りのモーメント、ｙ軸回りのモーメント、ｚ軸回りのモーメントを検出することができる。また、せん断力についてもｘ軸方向のせん断力、ｙ軸方向のせん断力を検出することができる。
このように、この力検出装置１では、比較的少ない感圧素子３を用いて、各外力を検出することができ、その検出感度を向上させることができる。
【００４５】
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の力検出装置の第２実施形態を示す平面図である。図５は、図４に示す力検出装置の側面図である。
なお、以下では、説明の都合上、図５中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。また、図４には、互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を有する３次元座標を想定し、平面視での前記３次元座標の原点を基準点Ｐとする。また、各感圧素子３の出力値、すなわち、各感圧素子３から出力される電圧の値（電圧値）をそれぞれ図１に示すように、１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂとし、対応する感圧素子３に記載する。また、各感圧素子３を区別しない場合は、「感圧素子３」と言い、区別する場合は、「感圧素子１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ」と言う。
【００４６】
以下、第２実施形態について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図４および図５に示すように、第２実施形態の力検出装置１では、第１の基板４、第２の基板５の形状は、それぞれ、円形をなしている。
また、弾性体６の数は、３つであり、感圧素子３の数は、６つである。すなわち、力検出装置１の検出部２は、１対の感圧素子３を３組有している。
【００４７】
各弾性体６は、平面視で、基準点Ｐの回りに配置されている。この場合、各弾性体６は、平面視で、弾性体６の中心と基準点Ｐとの距離が等距離となり、かつ等角度間隔（図示の構成では、１２０°間隔）で配置されている。すなわち、各弾性体６は、平面視で、基準点Ｐを中心とする同一の円上に、等角度間隔で配置されている。また、１つ目の弾性体６の平面視での中心は、ｙ軸上に位置し、また、２つ目の弾性体６の平面視での中心は、ｘ−ｙ平面上でｙ軸から時計回りに１２０°回転した位置にある直線９１上に位置し、また、３つ目の弾性体６の平面視での中心は、ｘ−ｙ平面上でｙ軸から時計回りに２４０°回転した位置にある直線９２上に位置している。これにより、偏りなく外力を検出することができる。
【００４８】
また、平面視で、感圧素子１Ａと感圧素子１Ｂは、ｙ軸に対して線対称に配置されており、感圧素子２Ａと感圧素子２Ｂは、直線９１に対して線対称に配置されており、感圧素子３Ａと感圧素子３Ｂは、直線９２に対して線対称に配置されている。
また、力検出装置１の図示しない外力検出回路は、入力された信号（電圧）を用いて、下記のように演算し、出力する機能を有する。すなわち、外力検出回路は、下記のようにして、第１の基板４の全面に加わる圧力Ｆａ、ｘ軸方向のせん断力Ｆｘ、ｙ軸方向のせん断力Ｆｙ、ｘ軸回りのモーメントＭｘ、ｙ軸回りのモーメントＭｙ、ｚ軸回りのモーメントＭｚを求め、出力する。
【００４９】
まず、第１の基板４の全面に加わる圧力はＦａは、下記のようにして求める。
Ｆａ＝（１ａ＋１ｂ）＋（２ａ＋２ｂ）＋（３ａ＋３ｂ）
また、ｘ軸方向のせん断力Ｆｘは、下記のようにして求める。
Ｆｘ∝（１ａ−１ｂ）
また、ｙ軸方向のせん断力Ｆｙは、下記のようにして求める。
Ｆｙ∝（２ｂ−２ａ）＋（３ａ−３ｂ）
【００５０】
また、ｘ軸回りのモーメントＭｘは、下記のようにして求める。
Ｍｘ∝［（２ａ＋２ｂ）＋（３ａ＋３ｂ）］−２・（１ａ−１ｂ）
また、ｙ軸回りのモーメントＭｙは、下記のようにして求める。
Ｍｙ∝（２ａ＋２ｂ）−（３ａ＋３ｂ）
また、ｚ軸回りのモーメントＭｚは、下記のようにして求める。
Ｍｚ∝（１ａ−１ｂ）＋（２ａ−２ｂ）＋（３ａ−３ｂ）
この力検出装置１によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
そして、この力検出装置１では、第１実施形態よりも少ない数の感圧素子３で検出を行うことができる。
【００５１】
＜第３実施形態＞
図６は、本発明の力検出装置の第３実施形態を示す側面図（一部断面図）である。なお、以下では、説明の都合上、図６中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。
以下、第３実施形態について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【００５２】
図６に示すように、第３実施形態の力検出装置１の検出部２は、第１の基板４、第２の基板５、感圧素子３、弾性体６の他に、さらに、弾性体６と感圧素子３との間に設けられた可撓性を有する基板７と、弾性または可撓性を有する接着剤層８とを有している。感圧素子３の電極３１は、その基板７に形成されている。
また、基板７と第２の基板５とは、接着剤層８により接着（固定）されている。この接着剤層８は、１対の感圧素子３の周囲に、その１対の感圧素子３を囲うように、１周に亘って形成されている。なお、基板７は可撓性を有し、接着剤層８は弾性または可撓性を有しているので、第１の基板４に加わった外力は、弾性体６、基板７を介して、１対の感圧素子３に伝達される。
この力検出装置１によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
なお、第３実施形態は、第２実施形態にも適用することができる。
【００５３】
＜単腕ロボットの実施形態＞
次に、図７に基づき、本発明のロボットの実施形態である単腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した第１、第２および第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図７は、本発明の力検出装置を用いた単腕ロボットの１例を示す図である。図７の単腕ロボット５００は、基台５１０と、アーム連結体５２０と、アーム連結体５２０の先端側に設けられたエンドエフェクタ５３０と、アーム連結体５２０とエンドエフェクタ５３０との間に設けられた力検出装置１００とを有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【００５４】
基台５１０は、アーム連結体５２０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台５１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
アーム連結体５２０は、第１のアーム５２１、第２のアーム５２２、第３のアーム５２３、第４のアーム５２４および第５のアーム５２５を有しており、隣り合うアーム同士を回動自在に連結することにより構成されている。アーム連結体５２０は、制御部の制御によって、各アームの連結部を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。
【００５５】
エンドエフェクタ５３０は、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクタ５３０は、第１の指５３１および第２の指５３２を有している。アーム連結体５２０の駆動によりエンドエフェクタ５３０が所定の動作位置まで到達した後、第１の指５３１および第２の指５３２の離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
力検出装置１００は、エンドエフェクタ５３０に加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１００が検出する力を基台５１０の制御部にフィードバックすることにより、単腕ロボット５００は、より精密な作業を実行することができる。また、力検出装置１００が検出する力によって、単腕ロボット５００は、エンドエフェクタ５３０の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、単腕ロボット５００は、より安全に作業を実行することができる。
なお、図示の構成では、アーム連結体５２０は、合計５本のアームによって構成されているが、本発明はこれに限られない。アーム連結体５２０が、１本のアームに構成されている場合、２〜４本のアームによって構成されている場合、６本以上のアームによって構成されている場合も本発明の範囲内である。
【００５６】
＜複腕ロボットの実施形態＞
次に、図８に基づき、本発明のロボットの実施形態である複腕ロボットを説明する。以下、本実施形態について、前述した第１、第２および第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図８は、本発明の力検出装置を用いた複腕ロボットの１例を示す図である。図８の複腕ロボット６００は、基台６１０と、第１のアーム連結体６２０と、第２のアーム連結体６３０と、第１のアーム連結体６２０の先端側に設けられたエンドエフェクタ６４０ａと、第２のアーム連結体６３０の先端側に設けられたエンドエフェクタ６４０ｂと、第１のアーム連結体６２０とエンドエフェクタ６４０ａ間および第２のアーム連結体６３０とエンドエフェクタ６４０ｂとの間に設けられた力検出装置１００を有する。なお、力検出装置１００としては、前述した各実施形態と同様のものを用いる。
【００５７】
基台６１０は、第１のアーム連結体６２０および第２のアーム連結体６３０を回動させるための動力を発生させるアクチュエーター（図示せず）およびアクチュエーターを制御する制御部（図示せず）等を収納する機能を有する。また、基台６１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などに固定される。
第１のアーム連結体６２０は、第１のアーム６２１および第２のアーム６２２を回動自在に連結することにより構成されている。第２のアーム連結体６３０は、第１のアーム６３１および第２のアーム６３２を回動自在に連結することにより構成されている。第１のアーム連結体６２０および第２のアーム連結体６３０は、制御部の制御によって、各アームの連結部を中心に複合的に回転または屈曲することにより駆動する。
【００５８】
エンドエフェクタ６４０ａ、６４０ｂは、対象物を把持する機能を有する。エンドエフェクタ６４０ａは、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａを有している。エンドエフェクタ６４０ｂは、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂを有している。第１のアーム連結体６２０の駆動によりエンドエフェクタ６４０ａが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ａおよび第２の指６４２ａの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。同様に、第２のアーム連結体６３０の駆動によりエンドエフェクタ６４０ｂが所定の動作位置まで到達した後、第１の指６４１ｂおよび第２の指６４２ｂの離間距離を調整することにより、対象物を把持することができる。
【００５９】
力検出装置１００は、エンドエフェクタ６４０ａ、６４０ｂに加えられる外力を検出する機能を有する。力検出装置１００が検出する力を基台６１０の制御部にフィードバックすることにより、複腕ロボット６００は、より精密に作業を実行することができる。また、力検出装置１００が検出する力によって、複腕ロボット６００は、エンドエフェクタ６４０ａ、６４０ｂの障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、複腕ロボット６００は、より安全に作業を実行することができる。
【００６０】
なお、図示の構成では、アーム連結体は合計２本であるが、本発明はこれに限られない。複腕ロボット６００が３本以上のアーム連結体を有している場合も、本発明の範囲内である。
以上、本発明の力検出装置およびロボットを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
【００６１】
また、本発明は、前記実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
また、前記実施形態では、感圧素子として、感圧導電体を用いたものを使用しているが、本発明では、加えられる外力に応じて出力が変化するものであればこれに限定されず、その他、例えば、圧電体等を用いたものが挙げられる。
【００６２】
また、本発明のロボットでは、力検出装置は、アーム連結体とエンドエフェクタとの間に設置されているが、本発明では、これに限定されず、例えば、力検出装置の検出部をエンドエフェクタの指先等に設置し、力検出装置を触覚センサーとして用いてもよい。
また、本発明のロボットは、アーム型ロボット（ロボットアーム）に限定されず、他の形式のロボット、例えば、スカラーロボット、脚式歩行（走行）ロボット等であってもよい。
また、本発明の力検出装置は、ロボットに限らず、他の装置、例えば、電子部品搬送装置等の搬送装置、電子部品検査装置等の検査装置、切削（研削）装置等の加工装置、自動車等の移動体、振動計、加速度計、重力計、動力計、地震計、傾斜計等の測定装置、入力装置等にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１…力検出装置  ２…検出部  ３、１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ…感圧素子  ３１、３２…電極  ３３…感圧導電体層  ４…第１の基板  ５…第２の基板  ６…弾性体  ６１…上面  ６２…下面  ７…基板  ８…接着剤層  ９１、９２…直線  １００…力検出装置  ５００…単腕ロボット  ５１０…基台  ５２０…アーム連結体  ５２１…第１のアーム  ５２２…第２のアーム  ５２３…第３のアーム  ５２４…第４のアーム  ５２５…第５のアーム  ５３０…エンドエフェクタ  ５３１…第１の指  ５３２…第２の指  ６００…複腕ロボット  ６１０…基台  ６２０…第１のアーム連結体  ６２１…第１のアーム  ６２２…第２のアーム  ６３０…第２のアーム連結体  ６３１…第１のアーム  ６３２…第２のアーム  ６４０ａ…エンドエフェクタ  ６４１ａ…第１の指  ６４２ａ…第２の指  ６４０ｂ…エンドエフェクタ  ６４１ｂ…第１の指  ６４２ｂ…第２の指
【図１】
2014163815.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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