(57)【要約】      （修正有）【課題】感度及び信頼性が高く、構造がより簡単で製造コストの安価な力覚または運動センサを提供する。【解決手段】ベース２と、ベース２に対して６自由度を有しベース２と対向して配置されたテーブル２１と、ベースとテーブル２１とを連結するよう並列配置された６つの連結部と、ベース２とテーブル２１との間の変位及び／または変形を検出する複数の検出素子と、各々の検出素子の変位及び／または変形量を総合的に計算する演算部とからなるセンサにおいて、各連結部のテーブル側第１軸受１２はテーブル２１裏側より嵌合するよう構成されており、テーブル２１に固定される押圧板２２とテーブル２１とにより保持固定されている。【選択図】図１
2011033607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、前記ベースに対して６自由度を有し前記ベースと対向して配置されたテーブルと、前記ベースと前記テーブルとを連結するよう並列配置された６つの連結部と、前記ベースと前記テーブルとの間の変位及び／または変形を検出する複数の検出素子と、前記各々の検出素子の変位及び／または変形量を総合的に計算する演算部とからなるセンサにおいて、前記各連結部のテーブル側第１軸受は前記テーブル裏側より嵌合するよう構成されており、前記テーブルに固定される押圧板と前記テーブルとにより保持固定されていることを特徴とする力覚または運動センサ。
【請求項２】
前記連結部の各々は、前記テーブルに連結される第１軸受と、前記第１軸受に接続されるロッドと、前記ロッドの前記第１軸受と反対側端部に設けられた第２軸受と、前記ベースに固定され前記第２軸受と連結されるアームとからなり、前記アームが前記６つの連結部とそれぞれ連結できる板状部材で構成されていることを特徴とする請求項１記載の力覚または運動センサ。
【請求項３】
前記連結部の前記第１軸受は前記テーブルに対して垂直に設置されており、前記第２軸受は前記アームに対して垂直に設置されており、前記第１軸受および前記第２軸受はロッド連結板にて連結されていることを特徴とする請求項１または２記載の力覚または運動センサ。
【請求項４】
前記アームは弾性部材からなり、前記ベースは前記アームが過変位及び／または過変形した際に前記アームの破壊を防止する過負荷保護部を備えたことを特徴とする請求項２または３記載の力覚または運動センサ。
【請求項５】
前記連結部の前記第１軸受及び／または第２軸受がボールジョイントであり、少なくともボール部と軸受部とが一体成形されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の力覚または運動センサ。
【請求項６】
前記ボール部および軸受部が金属焼結または樹脂成型により一体的に形成されたことを特徴とする請求項５記載の力覚または運動センサ。
【請求項７】
前記軸受部が２分割されていることを特徴とする請求項５または６記載の力覚または運動センサ。
【請求項８】
前記第１軸受及び／または第２軸受のホルダ部が、前記ボール部と前記軸受部とのガタを調整するクリアランス調整機能を備えたことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の力覚または運動センサ。
【請求項９】
前記ベース及び前記テーブルの外側を伸縮自在のカバーにより被覆したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の力覚または運動センサ。
【請求項１０】
検出素子の変位及び／または変形量を総合的に計算する演算部を備えたベースに対して、テーブルに連結されるロッドと、前記ロッドの前記テーブル側端部に設けられた第１軸受と、前記ロッドの前記第１軸受と反対側端部に設けられた第２軸受と、前記第２軸受と連結されるアームとからなる複数の連結部を固定した後、押圧板を配置し、各連結部の前記第１軸受を前記テーブルの所定位置に嵌合組立てした後、結合手段により前記テーブルと前記押圧板とを結合することによって前記各連結部を前記テーブルに固定することを特徴とする力覚または運動センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、６軸成分を同時に検出できる力覚センサまたは運動センサに関する。
【背景技術】
【０００２】  力覚センサは、力覚センサが有するトラベリングテーブル（物体）に作用する力（外力）を検出する装置であり、例えば、ロボットハンドにおいて人間の指先の触覚を実現するために用いられる。力覚センサには、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の３軸方向の力成分と、その３軸回りのモーメント成分の計６成分を同時に検出することができるものがある。このように、６成分を検出できる力覚センサは、６軸力覚センサとも呼ばれている。【０００３】  特開平１０−２７４５７３号公報（特許文献１）には、トッププレートとボトムプレートとを複数のロッドで連結し、これらプレート相互の連結は一端側が２自由度のジョイントにより、他端側が３自由度のジョイントによる力覚センサが開示されている。そしてこの力覚センサのロッドにはロッド軸線方向の圧縮・引張り力を検出できる検出素子が具備されている。【０００４】  また、構造体が変形して力を検出する力センサ（構造変形モード）が、特開平９−３１８４６９号公報（特許文献２）に開示されている。例えば、歪ゲージと弾性体とを組み合わせた型の６軸力センサは、力制御を行うロボットにおける外力測定などの用途で広く用いられている。歪ゲージを取り付けた弾性体に力或いはモーメントが作用して弾性体が変形すると、それに応じて各歪ゲージに応力が発生する。その結果生じる各歪ゲージの電気抵抗値の変化は、周知のブリッジ回路を介して電圧値として出力され、さらに所定の計算回路或いはソフトウェア処理によって６軸力に変換される。【０００５】  また、特開平５−１４９８１１号公報（特許文献３）には、平板上の起歪体のＦＥＭ解析により設定された最適部位に貼付された複数の歪ゲージにより直交する３軸の力と、これら軸回りのモーメントを独立して検出する複数のブリッジ回路よりなる歪検出用回路を備えている６軸力覚センサが開示されている。【０００６】  また、特開平９−１３１６９０号公報（特許文献４）には、複数のアクチュエータの協同により所定の可動板の位置・姿勢を制御する６軸荷重検出装置が開示されている。複数のアクチュエータの協同動作により可動板を所定の位置・姿勢に保持させることにより、予め決められた可動板上の所定の点に作用する６軸荷重を検出するものである。【０００７】  また、特開２０００−１４８３８２号公報（特許文献５）には、ユーザに力覚を呈示伝達するための力覚呈示機構が、ユーザを接続するための操作機器と、その操作機器を装着するための運動プラットホームと、その運動プラットホームを支持する６つのリンクセットと、各リンクセットを独立して駆動する６つの駆動装置と、６つの一センサとを備えた６軸のフォースフィードバックを有する力覚インターフェイス装置が開示されている。【０００８】  ところで、加速度センサは、質量を持つ物体の加速度を検出する装置であり、例えば、ロボットの姿勢制御や、自動車のエアバッグの衝突検知などに用いられている。また、角速度センサ（例えばジャイロセンサ）は、質量を持つ物体が回転する角速度を検出する装置であり、例えば、産業用ロボットや、自動車の横転検出などに用いられる。これら加速度センサおよび角速度センサは、物体に加えられた力（外力）を検���する力覚センサに対して物体の動きから生ずる慣性力を検出する装置（運動センサ）である。【０００９】  ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の各加速度を検出するために、例えば、３個の１軸加速度センサをそれぞれ直交する方向に配置する必要がある。また、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の回転方向の各角速度を検出するためにも、１軸加速度センサが３個必要となる。従って、３軸加速度と３軸角速度を同時に検出する６軸運動センサが求められている。【００１０】  なお、本願では、加速度センサ及び角速度センサの上位概念として運動センサを説明する。すなわち、運動センサは、加速度及び／または角速度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−２７４５７３号公報
【特許文献２】特開平９−３１８４６９号公報
【特許文献３】特開平５−１４９８１１号公報
【特許文献４】特開平９−１３１６９０号公報
【特許文献５】特開２０００−１４８３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  以上述べたような従来の力覚または運動センサにおいては、感度が十分でない、信頼性が劣る、力覚制御が困難、構造が複雑で製造コストが多大、合成力の検出が不可、などの問題点があった。そこで、本発明による力覚または運動センサにおいては、感度及び信頼性が高く、構造がより簡単で製造コストの安価な力覚または運動センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  上記課題を解決するため本発明による力覚または運動センサにおいては、ベースと、前記ベースに対して６自由度を有し前記ベースと対向して配置されたテーブルと、前記ベースと前記テーブルとを連結するよう並列配置された６つの連結部と、前記ベースと前記テーブルとの間の変位及び／または変形を検出する複数の検出素子と、前記各々の検出素子の変位及び／または変形量を総合的に計算する演算部とからなるセンサにおいて、前記各連結部のテーブル側第１軸受は前記テーブル裏側より嵌合するよう構成されており、前記テーブルに固定される押圧板と前記テーブルとにより保持固定されていることを特徴とする。【００１４】  前記連結部の各々は、前記テーブルに連結される第１軸受と、前記第１軸受に接続されるロッドと、前記ロッドの前記第１軸受と反対側端部に設けられた第２軸受と、前記ベースに固定され前記第２軸受と連結されるアームとからなり、前記アームが前記６つの連結部とそれぞれ連結できる板状部材で構成されていることが望ましい。【００１５】  前記連結部の前記第１軸受は前記テーブルに対して垂直に設置されており、前記第２軸受は前記アームに対して垂直に設置されており、前記アームは前記第１軸受および第２軸受を支承する形状に構成されていることが好適である。【００１６】  前記アームは弾性部材からなり、前記ベースは前記アームが過変位及び／または過変形した際に前記アームの破壊を防止する過負荷保護部を備えることもできる。【００１７】  前記連結部の前記第１軸受及び／または第２軸受をボールジョイントとし、少なくともボール部と軸受部とを一体成形することもできる。この際には、方法として金属焼結または樹脂成型を用いることができる。また、この軸受部は２分割すると好適である。【００１８】  前記第１軸受及び／または第２軸受のホルダ部は、前記ボール部と前記軸受部とのガタを調整するクリアランス調整機能を備えていることが望ましい。【００１９】  さらに、前記ベース及び前記テーブルの外側を伸縮自在のカバーにより被覆するとより有効である。【００２０】  また本発明による力覚または運動センサの製造方法としては、検出素子の変位及び／または変形量を総合的に計算する演算部を備えたベースに対して、テーブルに連結されるロッドと、前記ロッドの前記テーブル側端部に設けられた第１軸受と、前記ロッドの前記第１軸受と反対側端部に設けられた第２軸受と、前記第２軸受と連結されるアームとからなる複数の連結部を固定した後、押圧板を配置し、各連結部の前記第１軸受を前記テーブルの所定位置に嵌合組立てした後、結合手段により前記テーブルと前記押圧板とを結合することによって前記各連結部を前記テーブルに固定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】  本発明によれば、構造が簡単で製造コストが安価であり信頼性の高い力覚または運動センサを提供することができ、小型化も容易である。さらに、本発明によれば、信頼性の高い力覚または運動センサの製造方法を提供することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００２２】  以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例について説明する。図１は、本発明による力覚または運動センサのー実施例の断面図である。まず、この実施例のセンサの全体構成としては、アタッチメント１、このアタッチメント１に連結されたベース２、第１及び第２軸受１２、２０のセットを６組備えたアーム１１、６個の第１軸受１２により支承されるテーブル２１とからなる。【００２３】  アタッチメント１は本発明による力覚または運動センサの機能に直接関連はないが、例えばこのセンサをロボット等へ取り付ける際の取付け部として機能する。このアタッチメント１をロボット等へ取り付ける際は、アタッチメント取付けネジ５により固定する。【００２４】  ベース２は、この実施例のセンサの基台となるもので、アタッチメント１と接する底面部６１、アームを支承する凸状部６２，及びセンサ要素を外部に対して保護する側壁部６３とからなる。底面部６１中央にはベース位置決め突起４が設けてあり、これによりアタッチメント１に嵌合位置決めする。ベース２周縁部には複数の基板受け段部５１が設けてあり、この基板受け段部５１と同じ高さに形成された基板支持突起部５３及びベース底面部６１から延設された基板位置決めピン８により回路基板９を支承する。ベース底面部６１にはさらに、図４に示したように側壁部６３に沿って、少なくとも基板受け段部５１のない部分にアーム１１の過負荷保護手段３としての別の段部が形成されている。【００２５】  回路基板９は、図４に示したように上方から見ると変則円盤形に形成されており、ベース底面部６１から突出した凸状部６２の周囲に嵌合する形状にされている。過負荷保護手段３の上方において回路基板９が切り欠き形状としているのは、過負荷保護手段３の位置にアーム１１及びアーム１１に支承された第２軸受２０が配置されるので、この動作を妨害しないためである。回路基板９は、表面に６個のセンサ２４（例えば渦電流素子）を備え、裏面にこれらのセンサ２４を駆動するための回路が形成されている。回路基板９は、基板位置決め用ピン穴２８を基板位置決めピン８に挿通することにより位置決めし、基板取付け用ネジ穴２７を通して基板支持突起５３に対して基板固定ネジ７により固定される。【００２６】  アーム１１は、図５に示したように、円形のアーム基部３０と６本のアーム動作部３２とからなる。各アーム動作部３２は弾性部材から構成されており、先端部に第２軸受２０が配置固定されている。またアーム１１は、アーム基部３０においてベース２の凸状部６２に対して基板押さえ突起４４により位置決めされ、アーム押さえ４３を介してアーム固定ネジ１０により固定される。固定されたアーム１１のアーム動作部３２は、回路基板９上に配置されたセンサ２４に対して所定の間隔（約０．３ｍｍ程度）に維持される。【００２７】  一方、アーム１１が連結されたベース２は、アーム押さえ４３上においてセンサ取付けネジ６によりアタッチメント１に固定される。【００２８】  第２軸受２０は２自由度を備えていることが望ましく、この実施例においてはボールジョイントを配置している。この第２軸受２０はアーム動作部３２に対して垂直に設置され、従って図２に示すようにロッド３５���まっすぐ上方に延出されている。一方第１軸受１２は３自由度を備えていることが望ましく、この実施例においてはやはりボールジョイントを利用している。この第１軸受１２もテーブル２１に対して垂直に設置され、ロッド３１はまっすぐ下方に延出されている。第１軸受１２と第２軸受２０は剛性をもって連結されなければならないため、ロッド連結板３３を用いて連結固定ネジ１９により連結される。直線状ロッドを使用すれば第１軸受１２と第２軸受２０とは直線的に結合できるが、その代わりテーブル２１及びアーム１１に対して傾斜させて設置する必要が出てくる。このセンサには６本のアームがあり、それぞれにおいて軸受を傾斜させて取り付けるのは至難である。ロッド連結板３３を用いて第１軸受１２と第２軸受２０とをクランク状に連結することにより、剛性を損なうことなく容易に各軸受を取り付けることが可能となる。【００２９】  各第１軸受１２は、テーブル２１の貫通孔に裏側より嵌合させ、ホルダー段部４１によりテーブル２１に係止される。この第１軸受ホルダー部１４下方には押圧板２２が配置されており、すべての第１軸受１２をテーブル２１に嵌合させた後、第１軸受固定ネジ２３を締めることにより、ホルダー段部４１がテーブル２１と押圧板２２との間に挟持されて固定される。テーブル２１表面には、図６に示したように複数のハンド取付け用ネジ穴５２が設けてあり、例えば、ロボットのハンドに接続される。【００３０】  第１軸受１２及び第２軸受２０は、ロッド３１、３５、ボール部１３，１７、軸受部２５，２６及びホルダー部１４、１８とからなる。軸受部は上部軸受部２５及び下部軸受部２６に２分割されていて、ボール部１３，１７を挟み込むようにホルダー１４，１８内に収納される。これらの軸受部はホルダー１４，１８に対して摺動可能に形成されており、ホルダー１４，１８端部に形成された雌ネジ部４２に螺合されたボール部調整板を回転させることにより、動作の円滑性及び遊びを調整することができる。【００３１】  本発明に使用する軸受は、例えば、溶製金属製のボール部に対して軸受部を金属焼結または樹脂成型等により一体成形して形成することができる。このままで使用することの可能であるが、形成された軸受部を上下に切断しホルダー内に収納することにより、上述のように動作の円滑性や遊びの調整が可能となる。【００３２】  上述の実施例においては、図１に示したようにベース２に側壁部６３を備えているため、テーブル２１との隙間が小さいが、完全になくすことはできないため、例えば伸縮自在の樹脂等によるカバーによりテーブル２１から側壁部６３にかけて覆うと、外部からの埃等の侵入を回避できるため、センサ内部の汚れを防止することができ、より効果的である。【００３３】  さて、上述の実施例によるセンサ２４の動作であるが、テーブル２１が外部より力を受けると６個の第１軸受１２から第２軸受２０を通してアーム１１に伝達され、アームが変形する。この変形によりセンサ２４とアーム１１との距離が変化すると渦電流値が変わるためこの変化を検出して、６個のセンサの値をＣＰＵにより演算することにより、６軸の力成分が計算される。センサ２４としては、渦電流素子だけでなく静電容量素子等の他の素子を用いることもできる。【００３４】  上述の実施例においては、回路基板９上にセンサ２４を配置したが、アーム動作部３２上に加速度センサ２４を配置すれば、運動センサとして使用することができる。【００３５】  上記実施例によるセンサの製造方法であるが、まずベース２に回路基板９を収納し基板固定ネジ７により固定する。次に、アーム１１に第２軸受２０を取付け、第２軸受固定ネジ３６により固定する。続いて、このアーム１１をベース２の凸状部６２に載せ、アーム押さえ４３を介してアーム固定ネジ１０により固定する。次に、押圧板２２をベース２内に収納した後、各第１軸受１２をテーブル２１に嵌合し、最後に第１軸受固定ネジ２３によりテーブル２１と押圧板２２とを締め付けて第１軸受１２を固定する。このセンサをロボット等に取り付ける際は、ロボット上に予め取り付けたアタッチメント１に対してテーブル上のセンサ取付け用貫通孔６４からドライバー等を差し込みセンサ取付けネジ６により固定する。【００３６】  図７に、本発明による力覚または運動センサの別の実施例を示した。図７はこの実施例の要部断面図である。前述の実施例においては、図３に示したように、過負荷保護手段３をベース２の底面部６１のみに設けたが、この実施例では底面部６１の保護手段３Ａだけでなく、側壁部６３にも別の保護手段３Ｂを設けてある。第１の実施例においては、過負荷の方向が図３における下方のみについて考慮したものであるが、この実施例においては、保護手段３Ｂを設けることにより、図７の下方だけでなくアーム１１が上向きに過負荷を受けた場合にも保護することが可能となる。【００３７】  以上、本発明による力覚または運動センサについて説明したが、本発明の精神を逸脱しない範囲において多くの改変をなし得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３８】  本発明によれば、構造が簡単で製造コストが安価であり信頼性の高い力覚または運動センサを提供することができ、小型化も容易である。さらに、本発明によれば、信頼性の高い力覚または運動センサの製造方法を提供することもできる。従って、力覚及び運動センサ分野において大いに貢献できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による力覚または運動センサの実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示した実施例における第１軸受と第２軸受との関係を示した部分断面図である。
【図３】図１に示した実施例における第２軸受の構成を示す拡大断面図である。
【図４】図１に示した実施例におけるベースと回路基板との関係を示す平面図である。
【図５】図１に示した実施例におけるベースとアームとの関係を示す平面図である。
【図６】図１に示した実施例のセンサの平面図である。
【図７】本発明による力覚または運動センサの別の実施例における第２軸受の構成を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４０】１    アタッチメント
２    ベース
３、３Ａ、３Ｂ    過負荷保護手段
４    ベース位置決め突起
５    アタッチメント取付けネジ
６    センサ取付けネジ
７    基板固定ネジ
８    基板位置決めピン
９    回路基板
１０  アーム固定ネジ
１１  アーム
１２  第１軸受
１３  ボール部
１４  ホルダー
１５  ボール部調整板
１６  ロッド
１７  ボール部
１８  ホルダー
１９  連結板固定ネジ
２０  第２軸受
２１  テーブル
２２  押圧板
２３  第１軸受固定ネジ
２４  センサ素子
２５  上部軸受部
２６  下部軸受部
２７  基板取付け用ネジ穴
２８  基板位置決め用ピン穴
３０  アーム基部
３１  第１軸受ロッド
３２  アーム動作部
３３  ロッド連結板
３４  連結板固定ネジ
３５  第２軸受ロッド
３６  第２軸受固定ネジ
４１  ホルダー段部
４２  雌ネジ部
４３  アーム押さえ
４４  基板押さえ突起
５１  基板受け段部
５２  ハンド取付け用ネジ穴
５３  基板支持突起部
６１  底面部
６２  中央凸状部
６３  側壁部
６４  センサ取付け用貫通孔
【図１】
2011033607.tif 000003
【図２】
2011033607.tif 000004
【図３】
2011033607.tif 000005
【図４】
2011033607.tif 000006
【図５】
2011033607.tif 000007
【図６】
2011033607.tif 000008
【図７】
2011033607.tif 000009