(57)【要約】【課題】閉リンク機構の機能を向上することができる技術を提供する。【解決手段】連結部１０Ａが、テーブル３に設けられ、テーブル３の可動を受ける多自由度を有するジョイント１２と、ひも１１を介してジョイント１２の可動を受ける多自由度を有するジョイント１３と、一端にジョイント１３が設けられ、他端でベース２と固定されたアーム１４と、ジョイント１２を介してテーブル３と接続され、ジョイント１３を介してアーム１４と接続されて、ジョイント１２とジョイント１３との間に張設されたひも１１と、を含んでテーブル３とベース２とを連結している。【選択図】図１６
2011149913.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、
前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された複数の連結部と、
を備えた閉リンク機構であって、
前記連結部が、
前記テーブルに設けられ、前記テーブルの可動を受ける多自由度を有する第１ジョイントと、
ひもを介して前記第１ジョイントの可動を受ける多自由度を有する第２ジョイントと、
一端に前記第２ジョイントが設けられ、他端で前記ベースと固定されたアームと、
前記第１ジョイントを介して前記テーブルと接続され、前記第２ジョイントを介して前記アームと接続されて、前記第１ジョイントと前記第２ジョイントとの間に張設された前記ひもと、
を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結していることを特徴とする閉リンク機構。
【請求項２】
請求項１記載の閉リンク機構において、
屈曲または湾曲するフレームを含み、前記フレームの両端で前記ひもを張設する機構を備えており、
前記フレームに張設された前記ひもの途中２箇所のそれぞれで前記第１および第２ジョイントを介して接続されて、前記第１ジョイントと前記第２ジョイントとの間の前記ひもが前記機構によって張設されていることを特徴とする閉リンク機構。
【請求項３】
請求項１記載の閉リンク機構において、
ばねと、前記ばねの両端にそれぞれ設けられた３自由度を有するジョイントと、を含み、前記テーブルに前記ばねの一端側のジョイントが設けられ、前記ベースに前記ばねの他端側のジョイントが設けられて、前記テーブルと前記ベースとの間に斥力を加える機構を備えており、
前記ひもが前記機構によって張設されていることを特徴とする閉リンク機構。
【請求項４】
請求項１記載の閉リンク機構において、
金属プレートとゴムプレートを交互に張り合わされて構成される特殊弾性体と、前記特殊弾性体の一端に設けられた３自由度を有するジョイントと、を含み、前記テーブルに前記特殊弾性体の一端側のジョイントが設けられ、前記ベースに前記特殊弾性体の他端が設けられて、前記テーブルと前記ベースとの間に斥力を加える機構を備えており、
前記ひもが前記機構によって張設されていることを特徴とする閉リンク機構。
【請求項５】
請求項１記載の閉リンク機構において、
前記テーブルおよび前記ベースのそれぞれが同極の磁石を有することにより、前記テーブルと前記ベースとの間に斥力を加える機構を備えており、
前記ひもが前記機構によって張設されていることを特徴とする閉リンク機構。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の閉リンク機構において、
前記ベースと前記アームが、ジンバル構造となるように一体成形されていることを特徴とする閉リンク機構。
【請求項７】
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、
前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された複数の連結部と、
を備えた閉リンク機構であって、
前記連結部が、
前記テーブルに設けられ、前記テーブルの可動を受ける３自由度を有する第１ジョイントと、
ロッドを介して前記第１ジョイントの可動を受ける２自由度を有する第２ジョイントと、
一端に前記第２ジョイントが設けられ、他端で前記ベースと固定されたアームと、
一端が前記第１ジョイントを介して前記テーブルと接続され、他端が前記第２ジョイントを介して前記アームと接続された前記ロッドと、
を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結しており、
前記テーブルと前記ベースとの間に引力または斥力を加える機構を備えていることを特徴とする閉リンク機構。
【請求項８】
請求項７記載の閉リンク機構において、
前記機構が、ばねと、前記ばねの両端にそれぞれ設けられた３自由度を有するジョイントと、を含み、前記テーブルに前記ばねの一端側のジョイントが設けられ、前記ベースに前記ばねの他端側のジョイントが設けられて、前記テーブルと前記ベースとの間に斥力または引力を加えていることを特徴とする閉リンク機構。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の閉リンク機構を備えた力覚センサにおいて、
前記アームの変位および／または変形を一方向で検出する検出素子と、
前記検出素子の検出値から、前記テーブルもしくは前記ベースに作用する力の大きさおよび／または方向を計算する演算部と、
を備えていることを特徴とする力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多自由度のジョイントを有する閉リンク機構（閉リンク装置）およびそれを備えた力覚センサに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のリンクがジョイントで接続されたリンク機構において、ジョイントで連結されたリンクで閉ループがあるものは、閉リンク機構と呼ばれている。リンク機構を並列に連結したパラレルメカニズムは、例えば、産業用・民生用ロボットや工作機械などに応用されている。
【０００３】
閉リンク機構を用いたものとして、例えば、閉リンク機構を備えた力覚センサ（閉リンク型力覚センサ）がある。力覚センサは、テーブルに作用する力（外力）を検知する装置である。例えば、力覚センサは、ヒューマノイド型ロボットのハンド（手首）に設置され、そのハンドが受ける力覚を検出するために用いられる。
【０００４】
なお、力覚センサでは、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成分を同時に検出できるものがある。６成分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。
【０００５】
例えば、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・引張力を検出できる検出素子が具備されている。
【０００６】
また、特許第４３８９００１号（特許文献２）において、本出願人は、閉リンク機構を備えた力覚センサに関する技術について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２７４５７３号公報
【特許文献２】特許第４３８９００１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１は、本発明者らが検討している閉リンク機構１を模式的に示す側面図である。なお、この閉リンク機構１に関連する技術が、特許文献２にも開示されている。
【０００９】
図１に示すように、閉リンク機構１は、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３と、テーブル３とベース２とを連結する並列配置された複数の連結部１０とを備えている。この連結部１０は、リンクであるロッド４、アーム５、ジョイント６、７である軸受を含んでテーブル３とベース２とを連結している。
【００１０】
ジョイント６は、テーブル３に設けられ、テーブル３の可動を受ける３自由度を有する。ジョイント７は、ロッド４を介してジョイント６の可動を受ける２自由度を有する。アーム５は、一端にジョイント７が設けられ、他端でブロック８を介してベース２と固定されている。ロッド４は、一端がジョイント６を介してテーブル３と接続され、他端がジョイント７を介してアーム５と接続されている。
【００１１】
ジョイント６、７としては、例えば、鋼球を球面で保持し、多自由度で可動できる球面軸受を用いる。球面軸受を用いた場合、ロッド４の両端に鋼球が連結され、この鋼球を包み込むようにレース（受け部）が成形されている。
【００１２】
球面軸受では、レースと鋼球との間の摺動抵抗を減らすために、フッ素樹脂等のコーティングが施されている球面滑り軸受がある。しかし、このような球面滑り軸受を用いた場合、ロッド４からの力がこの鋼球に伝わると、鋼球とレースとの摺動抵抗は増加し、力のロスが発生してしまう。また、無負荷時の鋼球とコーティングを含むレースとの内部すきまは、テーブル３の位置が定まらないというガタを発生させてしまう。
【００１３】
すなわち、ジョイントとして球面滑り軸受を用いた場合、閉リンク機構の剛性が低下してしまい、閉リンク機構での機能向上の障害となってしまう。
【００１４】
このため、フッ素樹脂等のコーティングの代わりに、鋼球（太陽球）とレースの間に小さな鋼球（遊星球）を入れて摺動抵抗を抑えた球面軸受として、転がり球面軸受がある。しかし、転がり球面軸受は、鋼球同士が点接触であるため衝撃に弱く、転がるためには内部すきまを完全になくすことは出来ない。このため、閉リンク機構においてジョイントとして転がり軸受を用いた場合であっても、テーブル３の位置が定まらないというガタを発生させてしまう。
【００１５】
すなわち、ジョイントとして転がり球面軸受を用いた場合、閉リンク機構の剛性が低下してしまい、閉リンク機構での機能向上の障害となってしまう。
【００１６】
また、転がり球面軸受は、部材が多くなりコストが高くなってしまう。また、閉リンク機構の小型化の要求に対して、転がり球面軸受は、サイズにも限界がある。
【００１７】
なお、特許文献１に記載のような力覚センサにおいても、ジョイントとして球面軸受（球面滑り軸受、転がり球面軸受）を用いた場合には、前述のような問題が発生してしまうものと考えられる。
【００１８】
本発明の目的は、閉リンク機構の機能を向上することができる技術を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。一実施形態における閉リンク機構は、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、前記テーブルと前記ベースとを連結する並列配置された複数の連結部と、を備えている。前記連結部が、前記テーブルに設けられ、前記テーブルの可動を受ける多自由度を有する第１ジョイントと、ひもを介して前記第１ジョイントの可動を受ける多自由度を有する第２ジョイントと、一端に前記第２ジョイントが設けられ、他端で前記ベースと固定されたアームと、前記第１ジョイントを介して前記テーブルと接続され、前記第２ジョイントを介して前記アームと接続されて、前記第１ジョイントと前記第２ジョイントとの間に張設された前記ひもと、を含んで前記テーブルと前記ベースとを連結している。
【発明の効果】
【００２０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、前記一実施形態によって、閉リンク機構の機能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明者らが検討している閉リンク機構を模式的に示す側面図である。
【図２】本発明の一実施形態における閉リンク機構を備えた力覚センサを模式的に示す側面図である。
【図３】図２の閉リンク機構を備えた力覚センサを模式的に示す上面図である。
【図４】バイアス機構がテーブルとベースとの間に斥力を加えている状態を模式的に示す断面図である。
【図５】バイアス機構がテーブルとベースとの間に引力を加えている状態を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態における閉リンク機構を備えた力覚センサを模式的に示す側面図である。
【図７】図６の閉リンク機構を備えた力覚センサを模式的に示す上面図である。
【図８】図６の閉リンク機構の構造パラメータを示す説明図である。
【図９】バイアス機構による斥力を水平、鉛直の２成分に分解した説明図である。
【図１０】図６の閉リンク機構のアームの変形例を説明するための図であり、アームを模式的に示す断面図である。
【図１１】図６の閉リンク機構のアームの変形例を説明するための図であり、アームを模式的に示す上面図である。
【図１２】図６の閉リンク機構のバイアス機構の変形例を説明するための図であり、変形した閉リンク機構を備えた力覚センサを模式的に示す側面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態における閉リンク機構を備えた力覚センサを模式的に示す側面図である。
【図１４】図１３の閉リンク機構を備えた力覚センサを模式的に示す上面図である。
【図１５】図１３の閉リンク機構のアームの変形例を説明するための図であり、アームを模式的に示す断面図である。
【図１６】図１３の閉リンク機構のバイアス機構の変形例を説明するための図であり、閉リンク機構を備えた力覚センサを模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、閉リンク機構を説明するにあたり、それを備えた閉リンク型力覚センサについて説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００２３】
なお、本発明では、バイアス機構という用語を用いている。バイアス機構は、一般的には、平衡状態にあるものに一定の力をかけ続ける機構のことをいう。本発明においても、バイアス機構により一定の力をかけ続ける機構として用いており、バイアス機構が機能した状態で外力を検出できる閉リンク機構を備えた力覚センサについて説明している。
【００２４】
（実施形態１）
まず、本実施形態における閉リンク機構を備えた力覚センサの構造について図面を参照して説明する。
【００２５】
図２は本実施形態における閉リンク機構１０１を備えた力覚センサ１０１Ｓを模式的に示す側面図であり、図３は図２の閉リンク機構１０１を備えた力覚センサ１０１Ｓを模式的に示す上面図である。図２および図３に示すように、力覚センサ１０１Ｓは、閉リンク機構１０１と、検出素子３０と、演算部を備えた回路基板４０とを備えている。
【００２６】
力覚センサ１０１Ｓは、テーブル３に作用する力（負荷）の大きさおよび／または方向を、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Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分として、検出することができるものである。なお、本実施の形態では、テーブル３が負荷を受ける場合を示すが、ベース２が負荷を受ける場合であっても良い。
【００２７】
閉リンク機構１０１は、板状のベース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板状のテーブル３と、テーブル３とベース２とを連結する並列配置された複数の連結部１０と、バイアス機構２０とを備えている。このバイアス機構２０は、テーブル３とベース２との間に設けられ、テーブル３とベース２との間に引力または斥力を加えるものである。
【００２８】
連結部１０は、リンクであるロッド４、アーム５、ジョイント６、７である軸受を含んでテーブル３とベース２とを連結している。具体的には、閉リンク機構１０１では、テーブル３の周方向に沿って連結部１０が６本設けられ、２本ずつで並設されている。すなわち、ロッド４がテーブル３の周囲に沿って６本設けられ、２本ずつで並設されている。このように、６つの連結部１０を備えるリンク機構１０１では、２つの連結部１０がテーブル３（ベース２）の中心から１２０°間隔で並列配置されている。
【００２９】
ジョイント６は、テーブル３の例えば側面に設けられ、テーブル３の可動を受ける３自由度を有する。ジョイント７は、ロッド４を介してジョイント６の可動を受ける２自由度を有する。ジョイント６、７としては、例えば、鋼球を球面で保持し、多自由度で可動できる球面軸受を用いる。球面軸受を用いた場合、ロッド４の両端に鋼球が連結され、この鋼球を包み込むようにレース（受け部）が成形されている。なお、このような球面軸受については、後述する（図４、図５参照）。
【００３０】
また、ロッド４は、一端がジョイント６を介してテーブル３と接続され、他端がジョイント７を介してアーム５と接続されている。アーム５は、一端にジョイント７が設けられ、他端でブロック８を介してベース２と固定されている。なお、ブロック８はベース２と固定されているので、ベース２にアーム５の他端が接続されたものと同視することができる。
【００３１】
ベース２、テーブル３、ロッド４のそれぞれの材質は、テーブル３へ加わる定格負荷に耐えられる剛体であり、またアーム５は弾性体である。ベース２、テーブル３、ロッド４は、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなる剛体である。また、アーム５は、例えば、一般にばね材として用いられるリン青銅などの金属からなる弾性体である。なお、アーム５は、テーブル３への負荷が１０Ｎ以下の低負荷であれば、金属ではなく、樹脂（ポリアセタールなど）で構成することもできる。
【００３２】
本実施形態では、アーム５の他端とベース２とはブロック８を介して固定されている場合を示すが、アーム５の他端とベース２とを直接固定しても良く、例えば、溶接、ボルト止め、あるいは、ベース２とアーム５とを一体成形することができる。なお、剛体のベース２と弾性体のアーム５との一体成形は、ベース２の厚さに対してアーム５となる部分を薄くすれば、その部分が特定負荷内で弾性を持つことができるので、生産時の一体化によって形成することができる。
【００３３】
また、ベース２、テーブル３、ロッド４は、剛体という前提であるが、測定負荷精度に対して影響を与えない剛性をもっていれば良く、すなわちアーム５の変形量に対して変形量が十分に小されば良い。アーム５は、変形する部分を細く、薄くしてばね係数を決定し、塑性変形が起こらない負荷範囲としても良い。
【００３４】
検出素子３０は、アーム５の変位および／または変形を一方向で検出するものである。検出素子３０に例えば歪ゲージを用い、その検出素子３０をアーム５に設けることができる。このように、歪ゲージ（検出素子３０）を取り付けたアーム５に力（あるいはモーメント）が作用して、アーム５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。
【００３５】
回路基板４０は、検出素子３０の検出値から、テーブル３に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する演算部を有している。この演算部は、例えば、各歪ゲージ（検出素子３０）に応力が発生した結果生じる電気抵抗値の変化を、周知のブリッジ回路を介して電圧値として出力し、更に所定の計算処理回路あるいはソフトウェア処理によって、力覚センサ１０１Ｓの６軸力に変換するものである。
【００３６】
バイアス機構２０は、ばね２１と、ばね２１の両端にそれぞれ設けられた３自由度を有するジョイント２２およびジョイント２３とを含んでいる。ばね２１としては、圧縮ばね（押しばね）や、引張ばね（引きばね）を用いる。これにより、テーブル３とベース２との間に、常時伸長もしくは伸縮方向に力を加えることができる。
【００３７】
また、ジョイント２２、２３としては、例えば、鋼球を球面で保持し、多自由度で可動できる球面軸受を用いる。なお、球面軸受としては、球面すべり軸受や転がり球面軸受を用いることができる。
【００３８】
ベース２と対向する面のテーブル３中心にジョイント２２が設けられている。また、テーブル３と対向する面のベース２中心にジョイント２３が設けられている。なお、図２に示すように、ジョイント２３は、ブロック８と同様のブロックを介してベース２と固定されている。
【００３９】
バイアス機構２０は、テーブル３とベース２との間に斥力または引力を加えているものである。図４はバイアス機構２０がテーブル３とベース２との間に斥力を加えている状態を模式的に示す断面図である。また、図５はバイアス機構２０がテーブル３とベース２との間に引力を加えている状態を模式的に示す断面図である。なお、図４、図５に示すジョイント２２、２３では、球面滑り軸受を用いている。
【００４０】
ばね２１に例えば圧縮ばねを用いた場合、バイアス機構２０はテーブル３とベース２との間に斥力を加えることができる（図４参照）。また、ばね２１に例えば引張ばねを用いた場合、バイアス機構２０はテーブル３とベース２との間に引力を加えることができる（図５参照）。
【００４１】
球面滑り軸受を用いた場合、ばね２１の両端に鋼球２４が連結され、この鋼球２４を包み込むようにレース（受け部）２５が成形されている。このようにジョイント２２、２３に用いられる球面滑り軸受では、鋼球２４とレース２５との間には内部すきま２６が形成されている。また、鋼球２４とレース２５との間の摺動抵抗を減らすために、フッ素樹脂等のコーティングが施されている。また、ジョイント２２のレース２５がテーブル３と固定して接続されている。また、ジョイント２３のレース２５がベース２と固定して接続されている。
【００４２】
ところで、本実施形態では、連結部１０のジョイント６、７にも、鋼球を球面で保持し、多自由度で可動できる球面軸受を用いている。ジョイント６、７に球面滑り軸受を用いた場合、図４、図５に示したジョイント２２、２３と同様に、ロッド４の両端に鋼球が連結されており、この鋼球を包み込むようにレースが成形され、鋼球とレースとの間には内部すきまが形成される。
【００４３】
仮に、バイアス機構２０がテーブル３とベース２との間に設けられていない場合、テーブル３の位置が定まらないというガタを発生させてしまうことが考えられる。具体的には、テーブル３に種々の大きさ・方向の負荷が加わった状態では、各連結部１０に用いられている球面軸受（ジョイント６、７）の各鋼球が、全体としてみると、各内部すきま内でばらついてしまう。このため、テーブル３の位置が定まらないというガタを発生させてしまう。
【００４４】
そこで、閉リンク機構１０１を備えた力覚センサ１０１Ｓは、バイアス機構２０を備えている。例えば、ばね２１に例えば圧縮ばねを用いた場合、図４に示すように、ジョイント２２の鋼球２４とジョイント２３の鋼球２４とは互いに退け合い、各鋼球２４はそれぞれのレース２５内部で接触することとなる。この状態は、テーブル３への負荷がない場合（無負荷状態）や、負荷が加えられている場合（負荷状態）も維持されることとなる。
【００４５】
また、例えば、ばね２１に例えば引張ばねを用いた場合、図５に示すように、ジョイント２２の鋼球２４とジョイント２３の鋼球２４とは互いに引き合い、各鋼球２４はそれぞれのレース２５内部で接触することとなる。この状態は、テーブル３への負荷がない場合（無負荷状態）や、負荷が加えられている場合（負荷状態）も維持されることとなる。
【００４６】
このようにレース２５内部で鋼球２４が接触して球面軸受が摺動抵抗を有することになっても、バイアス機構２０によって接触している状態が明確であるため、テーブル３への負荷を検出するにあたり、摺動抵抗分を補正して演算することができる。なお、バイアス機構２０がない場合には、テーブル３への種々の負荷により、レース２５内部で鋼球２４が動き回るようになってしまい、補正することも困難となってしまう。
【００４７】
また、バイアス機構２０によって、テーブル３とベース２との間に斥力または引力を加えられている。このため、連結部１０のジョイント６、７に用いられている球面軸受も前述のジョイント２２、２３と同様に、無負荷状態、負荷状態であっても、その鋼球がレース内部で接触した状態となる。
【００４８】
したがって、テーブル３の位置が定まらないというガタを防止することができ、閉リンク機構１０１の機能を向上することができる。このため、閉リンク機構１０１を備えた力覚センサ１０１Ｓは、高精度にテーブル３に加わる力（負荷）を検出することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、バイアス機構２０がテーブル３とベース２との間に斥力または引力を加えるために、ばね２１と、ジョイント２２、２３を用いているが、磁石を用いても良い。例えば、ベース２と対向する面のテーブル３中心、およびテーブル３と対向する面のベース２中心のそれぞれに、同じ極の磁石を設けた場合には斥力が働き、また異なる極の磁石を設けた場合には引力が働く。このように磁石を用いたバイアス機構によっても、テーブル３とベース２との間に斥力または引力を加えることができる。
【００５０】
また、バイアス機構を磁石で構成した場合、ジョイント２２、２３も不要となるため、球面軸受を用いた場合において、内部すきま内で鋼球が動き回ることによる問題を除くことができる。また、ベース２やテーブル３は剛体としているが、アーム５の変形量に対して変形量が十分に小さければ良いので、ベース２やテーブル３自体を磁石で構成しても良い。テーブル３とベース２との間に斥力または引力を加えることができるバイアス機構として磁石を用いることで、小型化、薄型化された力覚センサを構成することができる。
【００５１】
次に、閉リンク機構１０１を備えた力覚センサ１０１Ｓにおけるテーブル３に加わる複数の力（ベクトル量）の検出の一例について説明する。なお、前述したように、連結部１０のジョイント６、７、バイアス機構２０のジョイント２２、２３として球面軸受を用いた場合、実際には摺動抵抗があり、その抵抗分を考慮する必要がある。しかしながら、抵抗分を補正することができるので、以下では、テーブル３とロッド４とを接続するジョイント６、ロッド４とアーム５とを接続するジョイント７には摺動抵抗がないものとして説明する。
【００５２】
力覚センサ１０１Ｓのテーブル３に対して、鉛直下方向の力成分Ｆｚが加わった場合について説明する。力（Ｆｚ）によりテーブル３は−ｚ方向に移動しようとする。テーブル３とロッド４の一端は３自由度のジョイント６により接続され、ロッド４の他端とアーム５の一端は２自由度のジョイント７により接続されているため、６本の各ロッド４の軸方向に力（Ｆｚ／６）が加わる。すなわち、力（Ｆｚ／６）がテーブル３とロッド４の取り付け角度で合成されて、力（Ｆｚ）となっている。
【００５３】
ロッド４の他端とアーム５の一端は２自由度のジョイント７により接続され、アーム５の他端とベース２は固定されているため、ロッド４からそれと接続されているアーム５に力（Ｆｚ／６）が加わり、アーム５が一方向に変形（平面変形）する。なお、検出素子３０が、アーム５の変位および／または変形を一方向で検出する。
【００５４】
このように剛体としてロッド４を、変位および／または変形を検出する対象（弾性体）としてアーム５を備えることで、テーブル３に加わる力の大きさおよび／または方向を、アーム５において最も単純な平面変形に置き換えることができる。
【００５５】
その後、回路基板４０では、例えば、アーム５の変位および／または変形を検出した各検出素子３０からの信号（アナログ信号）がアンプによって増幅される。また、そのアナログ信号はＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換され、回路基板４０の演算部（例えば、ＣＰＵ）がテーブル３に加わった負荷を計算する。すなわち、演算部は、検出素子３０が検出した検出値から、テーブル３に作用する力の大きさおよび／または方向を計算する。
【００５６】
また、本実施形態では、バイアス機構２０によって、閉リンク機構１０１を備えた力覚センサ１０１Ｓの平衡状態で、アーム５に一定の力が加わっている。この状態からテーブル３にＦｚの力を加えると、テーブル３がｚ方向（鉛直方向）に移動した分だけ、ばね２１が短くなる。すなわち、アーム５に及ぼす力は、ばね２１のばね係数と、変位量で異なってくる。このばね２１に加わる力と、アーム５に加わる力は、回路基板４０の演算部によって計算することができる。
【００５７】
また、テーブル３に対して、水平方向の力成分Ｆｘ、Ｆｙが加わった場合、ばね２１が斜めに伸びるので、ばね２１に加わる力と、アーム５に加わる力は、回路基板４０の演算部によって計算することができる。また、テーブル３の回転（ねじれ）に関しては、テーブル３（ベース２）の中心にばね２１が位置すると考えた場合、回転に対してはばね２１の影響を無視することができる。
【００５８】
このように、閉リンク機構１０１を備えた力覚センサ１０１Ｓは、検出素子３０からの検出によって、演算部を介してテーブル３に加わる６軸の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを同時に検出することができる。また、テーブル３の位置が定まらないというガタを防止することができる。このため、閉リンク機構１０１の機能を向上することができる。さらに、閉リンク機構１０１を備えた力覚センサ１０１Ｓは、高精度にテーブル３に加わる力（負荷）を検出することができる。
【００５９】
（実施形態２）
前記実施形態１では、連結部のジョイントとして用いた球面軸受の内部すきまに係る問題を解決する方法として、テーブルとベースとの間に、斥力もしくは引力を加えるバイアス機構を設けた場合について説明している。これにより、球面軸受が一定方向からの力を受け続ける状態となり、閉リンク機構の機能に対する内部すきまの影響を抑えることができる。
【００６０】
しかしながら、球面軸受に常に力がかかる状態となり、鋼球が動く際に生じる摺動抵抗が大きくなり、力のロスが発生してしまうことが考えられる。このため、前記実施形態１では、例えば演算部によって摺動抵抗分を補正することによって、テーブル３に加わる力を検出することとしている。
【００６１】
閉リンク機構およびそれを備えた力覚センサに用いられる連結部のジョイントとして球面軸受を用いた場合、その内部すきまが小さく、且つ摺動抵抗が小さいことが要求される。しかし、これら二つは相反する特性であり、球面軸受でこれら要求を実現することは難しい。
【００６２】
そこで、本実施形態では、連結部のジョイントとして球面軸受を用いない閉リンク機構を備えた力覚センサについて説明する。まず、本実施形態における閉リンク機構を備えた力覚センサの構造について図面を参照して説明する。
【００６３】
図６は本実施形態における閉リンク機構２０１を備えた力覚センサ２０１Ｓを模式的に示す側面図であり、図７は図６の閉リンク機構２０１を備えた力覚センサ２０１Ｓを模式的に示す上面図である。図６および図７に示すように、力覚センサ２０１Ｓは、閉リンク機構２０１と、検出素子３０Ａと、演算部を備えた回路基板４０とを備えている。
【００６４】
力覚センサ２０１Ｓは、テーブル３に作用する力（負荷）の大きさおよび／または方向を、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Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分として、検出することができるものである。なお、本実施形態では、テーブル３が負荷を受ける場合を示すが、ベース２が負荷を受ける場合であっても良い。
【００６５】
閉リンク機構２０１は、板状のベース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板状のテーブル３と、テーブル３とベース２とを連結する並列配置された複数の連結部１０Ａと、バイアス機構２０とを備えている。このバイアス機構２０は、テーブル３とベース２との間に設けられ、テーブル３とベース２との間に斥力を加えるものである。
【００６６】
連結部１０Ａは、リンクであるひも１１、ジョイント１２、１３、アーム１４を含んでテーブル３とベース２とを連結している。具体的には、閉リンク機構２０１では、テーブル３の周方向に沿って連結部１０Ａが６本設けられ、２本ずつで並設されている。すなわち、ひも１１がテーブル３の周囲に沿って６本設けられ、２本ずつで並設されている。このように、６つの連結部１０Ａを備えるリンク機構２０１では、２つの連結部１０Ａがテーブル３（ベース２）の中心から１２０°間隔で並列配置されている。
【００６７】
ひも１１は、ジョイント１２を介してテーブル３と接続され、ジョイント１３を介してアーム１４と接続されて、ジョイント１２とジョイント１３との間に張設されている。本実施形態では、ひも１１に張力がかかるのは、バイアス機構２０によってテーブル３とベース２との間に斥力を加えているため、テーブル３とベース２とを連結する連結部１０Ａを構成するひも１１が張力を有することとなる。
【００６８】
ここで、本実施形態で用いるひも１１を具体的に説明する。ひもにも、様々な種類があるが、ここでは麻ひもを例にとってみる。麻ひもは引張強度が高く、伸び率が低く、柔軟性を持った植物繊維である。麻ひもの一端を固定して引っ張った場合、固定点を支点に柔軟に角度を変化させることができる。また、固定点（支点）と引張点（力点）との間は、張力により一定距離を保ちながら直線の状態を維持することができる。
【００６９】
そこで、本実施形態では、連結部１０Ａのひも１１として、麻ひもと同様の特性を有している金属・化学繊維などからなるひも（ワイヤ、グラスファイバーなどを含む）を用いている。また、このひも１１には張力がかかっているため、ジョイント１２とジョイント１３の間は一定の距離を保つことができる。これにより、連結部１０Ａによって連結されているベース２とテーブル３間も一定の距離を保つことができる。
【００７０】
ジョイント１２は、テーブル３の例えば側面に設けられ、テーブル３の可動を受ける多自由度を有する。ジョイント１３は、ひも１１を介してジョイント１２の可動を受ける多自由度を有する。本実施形態では、連結部１０Ａは、テーブル３のジョイント１２と、アーム１４のジョイント１３とをひも１１にて結んでいる。すなわち、ジョイント１２、１３は、ひも１１の両端をかしめ・溶接・接着等によりなるピン接合となる。これにより、ジョイント１２、１３は３自由度を有することができる。
【００７１】
ジョイント１２、１３との間に張設されたひも１１を用いることで、ジョイント１２、１３の多自由度（ピン接合）と、テーブル３とベース２間の距離を一定に保ちつつ、力を伝達する連結部１０Ａを実現することができる。これにより、球面軸受の課題であった摺動抵抗と、内部すきまを大幅に解消することができる。
【００７２】
アーム１４は、一端にジョイント１３が設けられ、他端でブロック８を介してベース２と固定されている。なお、ブロック８はベース２と固定されているので、ベース２にアーム１４の他端が接続されたものと同視することができる。
【００７３】
ベース２、テーブル３のそれぞれの材質は、テーブル３へ加わる定格負荷に耐えられる剛体であり、またアーム１４は弾性体である。ベース２、テーブル３は、例えば、腐食性、加工性に優れたステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）などの金属からなる剛体である。また、アーム１４は、例えば、一般にばね材として用いられるリン青銅などの金属からなる弾性体である。
【００７４】
このように、本実施形態では、連結部１０Ａのジョイント１２、１３が、例えば球面軸受ではなく、ピン接合で構成している。すなわち、部品（球面軸受）を用いることなく、多自由度を有するジョイントをシンプルに構成することができる。
【００７５】
バイアス機構２０は、例えば、テーブル３とベース２との間に設けられ、ひも１１を張設するものである。具体的には、バイアス機構２０は、ばね２１と、ばね２１の両端にそれぞれ設けられた３自由度を有するジョイント２２およびジョイント２３と、を含んでいる。テーブル３にジョイント２２が設けられ、ベース２にジョイント２３が設けられており、テーブル３とベース２との間に斥力を加えている。３自由度を有するジョイント２２、２３としては、例えば球面軸受を用いることができる。
【００７６】
図１に示した閉リンク機構１において６つの連結部１０のジョイント６、７として球面軸受を用いた場合では、その球面軸受が１２個必要だったものに対し、本実施形態では、バイアス機構２０のジョイント２２、２３に用いる球面軸受の２個で済む。また、ジョイント２２、２３には常に斥力がかかっている為、球面軸受の内部すきまの問題は解消されることになる（図４参照）。
【００７７】
また、ベース２とテーブル３の中央に球面軸受を配置した場合、ベース２とテーブル３の外周に球面軸受を配置された場合と比較し、球面軸受の可動範囲は小さくなる。すなわち、本実施形態のように、ジョイント２２、２３として球面軸受を用いた場合であっても、図１に示した連結部１０のジョイント６、７として球面軸受を用いた閉リンク機構１と比較して、摺動抵抗も減少することができる。
【００７８】
バイアス機構２０では、ベース２、テーブル３の中心に設けられるばね２１（圧縮ばね）は、ベース２を基準とするとテーブル３を押し上げることにより、ばねの力が各ひも１１へ等分されて伝わる。この時、ジョイント１２とジョイント１３間に張られたひも１１に張力として加わり、閉リンク機構２０１が成立する。
【００７９】
本実施形態では、アーム１４にひも１１の張力方向への力が加わっているため、アーム１４はたわんだ状態となる。テーブル３に鉛直下方向の力が加わった時には、アーム１４はたわみが解消する方向へ戻り、テーブル３に鉛直上方向の力が加わった時には、アーム１４がさらにたわむ方向に働く。この時、アーム１４の変位量を検出素子３０Ａで検出し、演算することで力成分を取得することができる。
【００８０】
アーム１４の変位および／または変形を一方向で検出する検出素子３０Ａとして、例えば反射型光センサを用いることができる。反射型光センサを用いた場合、検出素子３０Ａの発光部からアーム１４の先端（ジョイント１３が設けられている端）へ発光し、その反射を、検出素子３０Ａの受光部で受光することによって、アーム１４の変位および／または変形を一方向で検出する。
【００８１】
次に、閉リンク機構２０１を備えた力覚センサ２０１Ｓにおけるテーブル３に加わる複数の力（ベクトル量）の検出の一例について説明する。
【００８２】
力覚センサ２０１Ｓのテーブル３に対して、鉛直方向の力成分Ｆｚが加わった場合について説明する。例えば、バイアス機構２０のばね２１（圧縮ばね）が６０Ｎの力でテーブル３を上へ押し上げているとする。この時、各ひも１１には６分割された１０Ｎの鉛直上方向の力が発生する。このため、アーム１４は、１０Ｎの鉛直方向の力でひも１１に引っ張られている状態となる。
【００８３】
この状態で、テーブル３の上部中心へ２４Ｎの錘をのせたとすると、１０Ｎで鉛直方向に押し上げていた力が４Ｎ減衰し、アーム１４は１本あたり６Ｎの鉛直方向の力でひも１１の張力方向へ引っ張られている状態となる。錘をのせる前と比較し、１本のアーム１４にかかる鉛直方向の力が４Ｎ減少したことから、全てのアーム１４へかかる力を総合すると２４Ｎの力を検出することになる。
【００８４】
続いて、力覚センサ２０１Ｓのテーブル３の回転（ねじれ）に関して説明する。図８は図７に示した閉リンク機構２０１から、その構造パラメータを示す説明図である。なお、ｒＴはジョイント１２の配置半径であり、φＴはジョイント１２の配置角度である。また、ｒＢはジョイント１３の配置半径であり、φＢはジョイント１３の配置角度である。
【００８５】
図７に示したように、閉リンク機構２０１では、ほぼ平行に配置された２本のアーム１４が一組となり、それが３箇所に配置されている。つまり、その一組がテーブル３（ベース２）の中央を中心として１２０°おきに配置されている。
【００８６】
これにより、テーブル３（ベース２）の中央から一組のアーム１４をみたとき、２本のアーム１４の開きが配置角度φＢとなり、テーブル３（ベース２）の中央からこのアーム１４のジョイント１３（固定点）までの距離が配置半径ｒＢとなる。同様に、配置角度φＴ、配置半径ｒＴを考えることができる。
【００８７】
これら配置角度φＢ、φＴ、配置半径ｒＢ、ｒＴ、およびジョイント１２、１３の距離（すなわちひも１１の長さ）などにより、ベース２、テーブル３、連結部１０Ａの位置関係の最適化を行う。これにより、軸回りの力成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚがかかったときに、テーブル３中心の座標を動かさないような構造としている。この場合、テーブル３の中心座標が変化しないことからばね２１（圧縮ばね）がテーブル３を押し上げる力に変化がなく、Ｆｚの場合と同様に考える事ができる。
【００８８】
続いて、テーブル３に対して、水平方向の力成分Ｆｘ、Ｆｚが加わった場合について説明する。図９はバイアス機構２０（ばね２１）による斥力（ベクトルＶ１）を鉛直、水平の２成分（ベクトルＶ２、Ｖ３）に分解した説明図である。すなわち、バイアス機構２０（ばね２１）の斥力は、ベクトルＶ１のように表せ、ベクトルＶ２とベクトルＶ３の様な成分に分解でき、三角関数を使ってベクトルＶ２とベクトルＶ３の大きさを算出できる。
【００８９】
テーブル３が水平方向へ移動することにより、ばね２１の角度が変化する。一般的に、閉リンクの運動学は反復処理を行う事で解析できる事が知られている。したがって、アーム１４の変位量から運動学を使う事で、テーブル１４側に連結されたばね２１のジョイント２２の座標を算出することができる。このばね２１のジョイント２２の座標から、ばね２１がテーブル３を押し上げる力を算出できる。
【００９０】
テーブル３が水平移動する事で、水平方向にベクトルＶ３の力成分が余分に発生し、鉛直方向のテーブル３を押し上げる力は、ベクトルＶ２の力成分になる。これらのベクトルの大きさを補正データとして用いる事で、より正確な力データの検出が可能となる。
【００９１】
このように、閉リンク機構２０１を備えた力覚センサ２０１Ｓは、検出素子３０Ａからの検出によって、演算部を介してテーブル３に加わる６軸の力成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを同時に検出することができる。また、連結部１０Ａのジョイント１２、１３に球面軸受を用いないので、球面軸受を用いた場合の内部すきまの問題や、摺動抵抗の問題を解決することができる。
【００９２】
このため、閉リンク機構２０１の機能を向上することができる。さらに、閉リンク機構２０１を備えた力覚センサ２０１Ｓは、高精度にテーブル３に加わる力（負荷）を検出することができる。
【００９３】
また、本実施形態では、テーブル３とベース２との間に斥力を加えるバイアス機構として、ばね２１（圧縮ばね）およびジョイント２２、２３から構成されるバイアス機構２０を用いた場合について説明した。これに限らず、例えば永久磁石を２個上下に配置するように、それぞれテーブル３とベース２に設けて、その反発力を用いても良い。すなわち、バイアス機構が、テーブル３およびベース２のそれぞれが同極の磁石を有することにより、テーブル３とベース２との間に斥力を加えているものを用いても良い。
【００９４】
また、本実施形態で示したように、ブロック８によりベース２上に固定された、片持ち構造のアーム１４でなくても、ジョイント１２とジョイント１３を結ぶ直線上で変形／変位する弾性体を設け、その変形／変位を検出しても良い。図１０、図１１は閉リンク機構２０１のアーム１４の変形例を説明するための図であり、図１０は図１１のＸ−Ｘ線におけるアーム１４Ａを模式的に示す断面図であり、図１１はアーム１４Ａを模式的に示す上面図である。
【００９５】
図６、図７で示した閉リンク機構２０１では、テーブル３に加わった外力を、ひも１１を介してアーム１４に伝達するようにしている。これにより、片持ち構造であるアーム１４が固定点（ブロック８）を中心とした線上に変形し、この６つのアーム変位を検出することで６軸方向の力を算出することができる。
【００９６】
このようなブロック８によりベース２上に固定された、片持ち構造のアーム１４でなくても、図１０、図１１に示すように、ジョイント１２とジョイント１３を結ぶ直線上で変形／変位する接続部１５を設ければ、その変形／変位を検出すれば良い。
【００９７】
例えば、ジンバル構造としてベース２内に一体成形されたアーム１４Ａ（例えば薄板ばね）で接続部１５を支持することによって、接続部１５は弾性体のように変形／変位する。なお、一体成形を説明するために、図１０、１１では、アーム１４Ａとベース２とは同じハッチングを付している。
【００９８】
接続部１５（アーム１４Ａ）の変位および／または変形を一方向で検出する検出素子３０Ｂは、対向する２つの板状の電極３１、３２からなる静電容量素子である。接続部１５を介してアーム１４Ａに静電容量素子の一方の電極３１が設けられている。また、静電容量素子の他方の電極３２は回路基板４０に設けられている。この静電容量素子（検出素子３０Ｂ）の静電容量の変化を、アーム１４Ａの上下変位に換算することができる。
【００９９】
このように、片持ち構造のアーム１４で支えられた構造とは異なり、ひも１１のジョイント１３に上下方向のばねを持たせた構造によっても、その変位でテーブル３に加わる力を検出することができる。
【０１００】
また、前述では、ばね２１を含むバイアス機構２０を用いた場合について説明したが、ＲＣＣ（リモート・センター・コンプライアンス）デバイスで使用されるような特殊弾性体を含んで構成される機構をバイアス機構として用いた場合であっても良い。
【０１０１】
図１２はＲＣＣデバイスで使用される特殊弾性体２８を含むバイアス機構２０Ａを用いた閉リンク機構を備えた力覚センサを模式的に示す側面図である。すなわち、前述のバイアス機構２０では、ばね２１（圧縮ばね）を例にとって説明したが、ばね２１の代わりに、金属プレート２８ａとゴムプレート２８ｂで構成された特殊弾性体２８をバイアス機構として使用している。
【０１０２】
特殊弾性体２８は、金属プレート２８ａとゴムプレート２８ｂを交互に張り合わされた積層が複数で構成されるものである。特殊弾性体２８は、横方向へは金属プレート２８ａとゴムプレート２８ｂがスライドする事でスムーズな移動ができ、縦方向については、高い剛性があるといった特徴をもっている。なお、ＲＣＣデバイスは、このような特殊弾性体２８が組み合わせられたものである。
【０１０３】
本実施形態では、特殊弾性体２８と、特殊弾性体２８の一端に設けられた３自由度を有するジョイント２２と、を含んだバイアス機構２０Ａを備えている。このバイアス機構２０Ａは、テーブル３に特殊弾性体２８の一端側のジョイント２２が設けられ、ベース２に特殊弾性体２８の他端が設けられて、テーブル３とベース２との間に斥力を加えるものである。
【０１０４】
このバイアス機構２０Ａは、ベース２の中心に固定され、テーブル３中心とはジョイント２２（例えば、球面軸受け）を介して連結されている。テーブル３へかかる回転成分の力は、球面軸受けにより、この特殊弾性体２８のユニットへは伝わらない。Ｆｘ、Ｆｙについては金属プレート２８ａとゴムプレート２８ｂがスライドすることによる抵抗が生じ、力のロスが発生するが、演算部によって補正することが可能である。
【０１０５】
また、力覚センサ２０１Ｓの構造パラメータを最適化する事で、Ｆｚ成分以外の力がかかった時のテーブル高さを一定にする事ができる為、Ｆｚ成分の力のみをこのバイアス機構２０Ａで受ける事ができる。また、バイアス機構２０Ａに、この特殊弾性体２８のユニットを用いる事で、ｚ方向にのみ剛性が高い力覚センサ２０１Ｓを作る事が可能となる。
【０１０６】
（実施形態３）
前記実施形態２ではテーブル３とベース２の連結部１０Ａにひも１１を用いた場合について説明したが、本実施形態では、さらにひも１１の張力を保つ為、ひも１１のジョイント１２、１３を外側からフレームで支える方法について説明する。
【０１０７】
図１３は本実施形態における閉リンク機構３０１を備えた力覚センサ３０１Ｓを模式的に示す側面図であり、図１４は図１３の閉リンク機構３０１を備えた力覚センサ３０１Ｓを模式的に示す上面図である。図１３および図１４に示すように、力覚センサ３０１Ｓは、閉リンク機構３０１と、検出素子３０Ａと、演算部を備えた回路基板４０とを備えている。
【０１０８】
力覚センサ３０１Ｓは、テーブル３に作用する力（負荷）の大きさおよび／または方向を、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Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、その３軸回りのモーメント成分Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの計６成分として、検出することができるものである。なお、本実施形態では、テーブル３が負荷を受ける場合を示すが、ベース２が負荷を受ける場合であっても良い。
【０１０９】
閉リンク機構２０１は、板状のベース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板状のテーブル３と、テーブル３とベース２とを連結する並列配置された複数の連結部１０Ａと、フレーム５０（バイアス機構）とを備えている。なお、後述するが、フレーム５０（バイアス機構）は、連結部１０Ａに設けられ、連結部１０Ａのひも１１を張設するものである。
【０１１０】
連結部１０Ａは、リンクであるひも１１、ジョイント１２、１３、アーム１４を含んでテーブル３とベース２とを連結している。なお、図１４では、一部の連結部１０Ａを透視した状態で示している。
【０１１１】
具体的には、連結部１０Ａは、テーブル３のジョイント１２と、アーム１４のジョイント１３とをひも１１にて結んでいる。ジョイント１２、１３はかしめ・溶接・接着等によりピン接合させることが好ましい。これにより、ジョイント１２、１３は３自由度を有することができ、後述するフレーム５０（バイアス機構）により、ひも１１に張力が掛かるため、ジョイント１２とジョイント１３は一定の距離を保つことができる。
【０１１２】
閉リンク機構３０１では、テーブル３の周方向に沿って連結部１０Ａが６本設けられ、２本ずつで並設されている。すなわち、ひも１１がテーブル３の周囲に沿って６本設けられ、２本ずつで並設されている。このように、６つの連結部１０Ａを備えるリンク機構３０１では、２つの連結部１０Ａがテーブル３（ベース２）の中心から１２０°間隔で並列配置されている。
【０１１３】
テーブル３とベース２がひも１１により連結されているが、これだけでは、テーブル３を支えることができない。そこで、それぞれのひも１１に一定以上の張力を与えることで、ジョイント１２とジョイント１３の距離が保たれ、テーブル３を押し上げる力が働く。
【０１１４】
ここで、この張力について説明する。テーブル３とベース２が引き寄せられる様な方向に力がかかるとジョイント１２とジョイント１３の距離が近づく。この距離の変位はテーブル座標にも影響する為、力覚センサ３０１Ｓの定格荷重がかかった時に、テーブル３の変位をどこまでに抑えるかで、この張力が決定される。
【０１１５】
この張力をひも１１に与えるためにバイアス機構２０が設けられている。このバイアス機構は、屈曲するフレーム５０を含んでおり、フレーム５０の両端でひも１１が張設されている。フレーム５０に張設されたひも１１の途中２箇所のそれぞれでジョイント１２、１３を介して接続されて、ひも１１がジョイント１２とジョイント１３との間で張設されている。
【０１１６】
フレーム５０は、ジョイント１２とジョイント１３のそれぞれ外側へ更にひも１１を延長し、その延長線上のジョイント２６とジョイント２７でひも１１をフレーム５０にピン接合する。すなわち、フレーム５０に張られた線上にジョイント２６、２７がある構造となっている。
【０１１７】
このジョイント２６、２７もかしめ・溶接・接着等によりピン接合させることが好ましい。フレーム５０はジョイント１２、１３で支えられ、４つのジョイントがピン接合されているため、ジョイント１２とジョイント１３の動きに柔軟に追従する。
【０１１８】
ここで、フレーム５０について詳細に説明する。テーブル３に外力が加わり、ジョイント１２がひも１１に引張力を発生した場合、ジョイント１３を介してアーム１４を引き上げる。ジョイント１２がひも１１に圧縮力を発生した場合、ひも１１は剛性が無いためたわもうとする。
【０１１９】
しかし、ジョイント１２とジョイント２６がひも１１の延長線上で接続されているため、ジョイント２６からフレーム５０とジョイント２７を介してアーム１４を引き下げる。よって、ひも１１はたわむことなく、テーブル３に加わった外力はアーム１４へ伝達する。
【０１２０】
ここで現実には、ひも１１の伸度はゼロでなく、フレーム５０も温度等の環境により形状が変化する。この対策としてフレーム５０に、ひも１１の張力が発生する方向にバネ性を持たせる、つまりフレーム５０とひも１１を弓と弦の構成にしても良い。図１６は閉リンク機構３０１のバイアス機構の変形例（湾曲するフレーム５０Ａ）を説明するための図である。
【０１２１】
ひも１１が、引張強度１００Ｎ・伸度１％・長さ３０ｍｍであると仮定する。ひも１１にかかる最大荷重を２０Ｎとし、それがかかった場合、引張荷重と伸度は比例するので次のようになる。
１（％）×２０（Ｎ）／１００（Ｎ）＝０．２（％）
３０（ｍｍ）×０．２（％）＝０．０６ｍｍ
【０１２２】
すなわち、０．２％の伸度、０．０６ｍｍの伸びとなる。よって、フレーム５０Ａが０．０６ｍｍ以上ひも１１を引き延ばすばね特性を持っていれば良く、板バネ等でも容易に実現できる。
【０１２３】
なお、本実施形態で示した、ひも１１とフレーム５０、５０Ａによる連結は、特許文献２におけるロッドと軸受（ジョイント）による連結閉リンク機構の構成と全く異ならないため、６軸力覚センサとしての力検出は、同様に処理することができる。
【０１２４】
図１３、図１４で示した閉リンク機構３０１では、テーブル３に加わった外力を、ひも１１を介してアーム１４に伝達するようにしている。これにより、片持ち構造であるアーム１４が固定点（ブロック８）を中心とした線上に変形し、この６つのアーム変位を検出することで６軸方向の力を算出することができる。
【０１２５】
このようなブロック８によりベース２上に固定された、片持ち構造のアーム１４でなくても、図１５に示すように、ジョイント１２とジョイント１３を結ぶ直線上で変形／変位する接続部１５を設ければ、その変形／変位を検出すれば良い。
【０１２６】
例えば、ジンバル構造としてベース２内に一体成形されたアーム１４Ａ（例えば薄板ばね）で接続部１５を支持することによって、接続部１５は弾性体のように変形／変位する。なお、一体成形を説明するために、図１５では、アーム１４Ａとベース２とは同じハッチングを付している。
【０１２７】
接続部１５（アーム１４Ａ）の変位および／または変形を一方向で検出する検出素子３０Ｂは、対向する２つの板状の電極３１、３２からなる静電容量素子である。接続部１５を介してアーム１４Ａに静電容量素子の一方の電極３１が設けられている。また、静電容量素子の他方の電極３２は回路基板４０に設けられている。この静電容量素子（検出素子３０Ｂ）の静電容量の変化を、アーム１４Ａの上下変位に換算することができる。
【０１２８】
このように、片持ち構造のアーム１４で支えられた構造とは異なり、ひも１１のジョイント１３に上下方向のばねを持たせた構造によっても、その変位でテーブル３に加わる力を検出することができる。
【０１２９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。
【０１３０】
例えば、前記実施形態では、閉リンク機構を力覚センサに用いた場合について説明したが、物体に加えられた力（外力）を検出する力覚センサに対して、物体の動きから生じる慣性力から検出する装置（運動センサ）にも用いることができる。
【０１３１】
例えば、アームの変位および／または変形を検出する検出素子として、アームに圧電素子や、ベースに静電容量素子、光素子（例えばレーザ）、磁気識別素子などを設けても良い。また、アームを水晶で作製し、固有振動の変化を捉えることもできる。このように、アームの変位および／または変形の検出は、アームの歪、変化量などを例えば変換した電気信号から行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
本発明は、閉リンク機構およびそれを備えた力覚センサ、ならびにそれらを用いた産業用・民生用のロボット分野に幅広く利用されるものである。
【符号の説明】
【０１３３】
１、１０１、２０１、３０１  閉リンク機構
１Ｓ、１０１Ｓ、２０１Ｓ、３０１Ｓ  力覚センサ
２  ベース
３  テーブル
４  ロッド
５  アーム
６、７  ジョイント
８  ブロック
１０、１０Ａ  連結部
１１  ひも
１２、１３  ジョイント
１４  アーム
１５  接続部
２０、２０Ａ  バイアス機構
２１  ばね
２２  ジョイント
２３  ジョイント
２４  鋼球
２５  レース
２６、２７  ジョイント
２８  特殊弾性体
２８ａ  金属プレート
２８ｂ  ゴムプレート
３０、３０Ａ、３０Ｂ  検出素子
３１、３２  電極
４０  回路基板
５０、５０Ａ  フレーム
【図１】
2011149913.tif 000003
【図２】
2011149913.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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