(57)【要約】【課題】例えばロボットの分野では、力やトルクを検知するための力センサとして、トルクセンサ、力覚センサ、指先力センサなどが用いられている。従来のセンサでは、高い検出精度と小型化を両立させることは、構造的に困難であった。【解決手段】力センサは、第１部材と、第２部材と、中間部材と、第１部材と中間部材とを連結する第１の弾性構造体と、第２部材と前記中間部材とを連結する第２の弾性構造体と、第１部材と第２部材の変位を測定する変位検出手段とを備える。第１部材と第２部材の距離は、中間部材と第１部材の距離、および中間部材と第２部材の距離よりも小さくなるように構成する。検出精度が高く、コンパクトな力センサを提供することができる。【選択図】図４
2019045216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と、
第２部材と、
中間部材と、
前記第１部材と前記中間部材とを連結する第１の弾性構造体と、
前記第２部材と前記中間部材とを連結する第２の弾性構造体と、
前記第１部材と前記第２部材の変位を測定する変位検出手段とを有し、
前記第１部材と前記第２部材の距離は、前記中間部材と前記第１部材の距離、および前記中間部材と前記第２部材の距離よりも小さい、
ことを特徴とする力センサ。
【請求項２】
前記第１部材の外面のうち前記第１の弾性構造体と連結する面と、
前記第２部材の外面のうち前記第２の弾性構造体と連結する面は、
平行である、
ことを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
【請求項３】
前記第１部材と前記第２部材は同一の平面に沿うよう配置され、
前記中間部材は、前記平面に投影したときに射影の少なくとも一部が前記第１部材と前記第２部材の間隙部と重なるように前記平面から離れて配置されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の力センサ。
【請求項４】
前記第１の弾性構造体は、前記第１部材の外面のうち前記第１の弾性構造体と連結する面からの法線方向に対して傾いている、
ことを特徴とする請求項１乃至３の中のいずれか１項に記載の力センサ。
【請求項５】
前記第２の弾性構造体は、前記第２部材の外面のうち前記第２の弾性構造体と連結する面からの法線方向に対して傾いている、
ことを特徴とする請求項１乃至４の中のいずれか１項に記載の力センサ。
【請求項６】
前記第１部材と前記第２部材は、同心だが互いに半径が異なる環状部分を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至５の中のいずれか１項に記載の力センサ。
【請求項７】
複数の前記第１の弾性構造体および複数の前記第２の弾性構造体を備え、
複数の前記第１の弾性構造体は、前記第１部材から前記中間部材に向けて見たときの傾きが反時計回りに並ぶように配置され、
複数の前記第２の弾性構造体は、前記第２部材から前記中間部材に向けて見たときの傾きが時計回りに並ぶように配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６の中のいずれか１項に記載の力センサ。
【請求項８】
複数の前記第１の弾性構造体および複数の前記第２の弾性構造体を備え、
複数の前記第１の弾性構造体は、前記第１部材から前記中間部材に向けて見たときの傾きが前記環状部分の中心に向かう向きに配置され、
複数の前記第２の弾性構造体は、前記第２部材から前記中間部材に向けて見たときの傾きが前記環状部分の中心から離れる向きに配置されている、
ことを特徴とする請求項６に記載の力センサ。
【請求項９】
請求項１乃至８の中のいずれか１項に記載の力センサを製造する方法であって、
前記第１部材と、前記第２部材を造形プレートに対して脱着可能に位置決め固定し、
前記第１部材と前記第２部材の上面に、造形材料の層を積み重ねて前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材を造形し、
前記第１部材と前記第２部材と前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材が一体化した３次元造形物を形成した後に前記３次元造形物を前記造形プレートから脱着する、
ことを特徴とする力センサの製造方法。
【請求項１０】
前記造形材料の粉体を積層し、前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材の形状に応じてレーザ光を照射して前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材を造形する、
ことを特徴とする請求項９に記載の力センサの製造方法。
【請求項１１】
環状の第１部材と、
外力が印加されない状態において、前記第１部材と平行かつ中心軸が同軸になるよう配置され、前記第１部材よりも大きな半径を有する環状の第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材の相対角度を検出する角度検出手段と、
前記第１部材と前記第２部材から離れて配置された中間部材と、
前記第１部材と前記中間部材とを連結する複数の第１の弾性構造体と、
前記第２部材と前記中間部材とを連結する複数の第２の弾性構造体と、
を有し、
前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体は、前記中心軸を中心とする円周方向に沿って交互に配置され、
前記角度検出手段の出力と、前記第１部材、前記第２部材、前記中間部材、前記第１の弾性構造体、前記第２の弾性構造体とからなる構造体のねじれ剛性とを用いてトルク値を検出する、
ことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１２】
前記第１の弾性構造体の厚さは、前記第１部材の側において前記中心軸に近い側より遠い側が小さく、前記中間部材の側において前記中心軸に遠い側より近い側が小さく、
前記第２の弾性構造体の厚さは、前記第２部材の側において前記中心軸に遠い側より近い側が小さく、前記中間部材の側において前記中心軸に近い側より遠い側が小さい、
ことを特徴とする請求項１１に記載のトルクセンサ。
【請求項１３】
前記第１の弾性構造体および／または前記第２の弾性構造体は、
スリットにより分離された複数の弾性体を有する、
ことを特徴とする請求項１１または１２に記載のトルクセンサ。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３の中のいずれか１項に記載のトルクセンサを製造する方法であって、
前記第１部材と、前記第２部材を造形プレートに対して脱着可能に位置決め固定し、
前記第１部材と前記第２部材の上面に、造形材料の層を積み重ねて前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材を造形し、
前記第１部材と前記第２部材と前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材が一体化した３次元造形物を形成した後に前記３次元造形物を前記造形プレートから脱着する、
ことを特徴とするトルクセンサの製造方法。
【請求項１５】
前記造形材料の粉体を積層し、前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材の形状に応じてレーザ光を照射して前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材を造形する、
ことを特徴とする請求項１４に記載のトルクセンサの製造方法。
【請求項１６】
力とモーメントを含む６軸の外力を測定する力覚センサであって、
環状の第１部材と、
外力の作用により前記第１部材に対して変位する第２部材と、
前記第１部材に対する前記第２部材の変位を検出する変位検出手段と、
前記第１部材に対向して配置された中間部材と、
前記第１部材と前記中間部材とを連結する複数の第１の弾性構造体と、
前記第２部材と前記中間部材とを連結する複数の第２の弾性構造体と、
を備え、
前記複数の第１の弾性構造体は、前記第１部材の中心と同心の円周上に間隔を開けて配置され、かつ、前記円周に対して垂直な軸線に対して第１のねじれ傾斜角で傾斜して配置され、
前記複数の第２の弾性構造体は、前記第１部材の中心と同心の円周上に間隔を開けて配置され、かつ、前記円周に対して垂直な軸線に対して第２のねじれ傾斜角で傾斜して配置され、
前記第１のねじれ傾斜角と前記第２のねじれ傾斜角は、前記垂直な軸線に対して逆方向のねじれ傾斜角度であり、
前記第１の弾性構造体および第２の弾性構造体は、前記第１部材、前記中間部材、前記第２部材よりも剛性が低く、前記垂直な軸線まわりに３回以上の回転対称性を持つ、
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１７】
前記第２部材は、前記第１部材と同心に配置され、前記第１部材よりも半径が小さな環状の部材であり、
前記第１の弾性構造体は、前記中心から離れる方向に凸になるよう湾曲した形状を有し、
前記第２の弾性構造体は、前記中心に向かう方向に凸になるよう湾曲した形状を有する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の力覚センサ。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載の力覚センサを製造する方法であって、
前記第１部材と、前記第２部材を造形プレートに対して脱着可能に位置決め固定し、
前記第１部材と前記第２部材の上面に、造形材料の層を積み重ねて前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材を造形し、
前記第１部材と前記第２部材と前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材が一体化した３次元造形物を形成した後に前記３次元造形物を前記造形プレートから脱着する、
ことを特徴とする力覚センサの製造方法。
【請求項１９】
前記造形材料の粉体を積層し、前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材の形状に応じてレーザ光を照射して前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材を造形する、
ことを特徴とする請求項１８に記載の力覚センサの製造方法。
【請求項２０】
ロボットハンドの指先にかかる力を検出する指先力センサであって、
ロボットハンドに固定される第１部材と、
指に固定される第２部材と、
中間部材と、
前記第１部材と前記中間部材を連結する弾性体を２列以上かつ４本以上有する第１の弾性構造体と、
前記第２部材と前記中間部材を連結する弾性体を２列以上かつ４本以上有する第２の弾性構造体と、
前記第１部材と前記第２部材の相対変位を検出する検出手段と、
を有し、
前記第１の弾性構造体が配置された方向と前記第２の弾性構造体が配置された方向が２５度以上異なり、
前記検出手段の出力と、前記第１部材、前記中間部材、前記第２部材、前記第１の弾性構造体、前記第２の弾性構造体とからなる構造体の剛性と、を用いて前記指先にかかる力を検出する、
ことを特徴とする指先力センサ。
【請求項２１】
前記検出手段の位置に原点を持つ座標系から見て、前記第１の弾性構造体が、前記指の先端よりも離れた位置の方向を向くように配置されている、
ことを特徴とする請求項２０に記載の指先力センサ。
【請求項２２】
請求項２０または２１に記載の指先力センサを製造する方法であって、
前記第１部材と、前記第２部材を造形プレートに対して脱着可能に位置決め固定し、
前記第１部材と前記第２部材の上面に、造形材料の層を積み重ねて前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材を造形し、
前記第１部材と前記第２部材と前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材が一体化した３次元造形物を形成した後に前記３次元造形物を前記造形プレートから脱着する、
ことを特徴とする指先力センサの製造方法。
【請求項２３】
前記造形材料の粉体を積層し、前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材の形状に応じてレーザ光を照射して前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体と前記中間部材を造形する、
ことを特徴とする請求項２２に記載の指先力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力やトルクを測定する力センサおよびその製造方法に関する。中でも、自動組み立て装置やロボット等の分野で好適に用いられる力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばロボットの分野では、トルクや力を検知するための力センサとして、トルクセンサ、力覚センサ、指先力センサなどが用いられている。
トルクセンサは、例えばロボットの回転関節に取り付けられ、関節を介して伝達される１方向のトルクを測定する装置として用いられている。
力覚センサは、例えばロボットアームとロボットハンドの間の手首に配置され、ロボットハンドの先端にかかる６方向の力やモーメントを検出する装置として用いられている。
指先力センサは、例えばロボットハンド先端の指先にかかる３方向の力を測定し、把持物が環境から受ける力を検出する装置として用いられている。
【０００３】
特許文献１には、第１部材と第２部材との間に発生するＹ軸周りの回転トルクを測定するトルクセンサが開示されている。このトルクセンサは、第１部材と第２部材との間に配置された起歪部を備え、起歪部の外側に、第１部材と第２部材に連結された複数の柱部を備える。特許文献１のトルクセンサは、ねじれトルクがかかると起歪部が変形し、この変形を歪みゲージで読み取り、トルク値に換算するセンサであるが、柱部を備えているため、Ｙ軸に直角な軸まわりの曲げモーメント力がかかっても、起歪部の変形が抑えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１６９５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
引用文献１に記載されているセンサにおいて、曲げモーメントを支える柱部は、曲げモーメントに対して硬い必要があるが、回転トルクに対しては柔らかくなければならない。もし硬ければ、回転トルクも柱部が支えてしまうので、起歪部の変形が抑制されて、トルクの測定が困難になるからである。回転トルクに対して柔らかくするためには、柱部の長さを大きくする必要があるが、長さを大きくするとＹ軸周りの回転トルクを測定する対象物である第１部材と第２部材の距離が遠くなってしまう。
【０００６】
第１部材と第２部材との変位を測定する時、一般に測定対象の距離が離れると測定感度が落ちる。従って、柱部の長さを大きくすると高感度なセンサを構成するのが困難になる。
例えば、１０ｍｍの長距離において１ｎｍの感度（分解能）を達成するのは、１０μｍの近距離において同じ感度を達成するよりも、はるかに困難である。
【０００７】
磁気式変位計を用いたトルクセンサの場合を例に、より具体的に説明する。磁気式変位計は、永久磁石の磁場の強さが、距離に応じて変化することを利用する変位計である。
半径Ｒ、長さＬの円筒磁石の磁場の強さと距離との関係は、次式で表される。
【０００８】
【数１】
2019045216.tif 000003
ここで、Ｂは磁石から距離ｘ離れた場所の磁束密度、Ｂｒは磁石の残留磁束密度である。
【０００９】
Ｂｒ＝１２０００Ｇａｕｓｓのネオジウム磁石を用いた場合の距離と感度の関係をグラフにして、図５２に示す。図から、距離が１０ｍｍまで離れると、感度が極端に落ちることがわかる。数値を計算すると、距離が１０μｍの場合の感度に対し、距離が１０ｍｍの感度はわずか０．５％しかない。これでは高感度なセンサを構成することが困難である。
【００１０】
さらに、測定対象の距離が離れていると、磁気の変化を検出するための検出部を取付ける部品のサイズも大きくならざるを得ない。取付け部品の温度や自重による寸法変化、および振動を考えると、サイズが大きくなることは高感度なセンサにとって不利である。
また、柱部に長さが必要であるためセンサが厚くなってしまう。センサの厚さは、例えばロボットの部品として実装する場合には各関節のサイズに影響し、厚さが大きくなると関節の可動領域やロボットの作業領域に対して好ましくない影響を及ぼす。
そこで、検出精度が高く、コンパクトな力センサの実現が期待されていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、第１部材と、第２部材と、中間部材と、前記第１部材と前記中間部材とを連結する第１の弾性構造体と、前記第２部材と前記中間部材とを連結する第２の弾性構造体と、前記第１部材と前記第２部材の変位を測定する変位検出手段とを有し、前記第１部材と前記第２部材の距離は、前記中間部材と前記第１部材の距離、および前記中間部材と前記第２部材の距離よりも小さい、ことを特徴とする力センサである。
【００１２】
また、本発明は、環状の第１部材と、外力が印加されない状態において、前記第１部材と平行かつ中心軸が同軸になるよう配置され、前記第１部材よりも大きな半径を有する環状の第２部材と、前記第１部材と前記第２部材の相対角度を検出する角度検出手段と、前記第１部材と前記第２部材から離れて配置された中間部材と、前記第１部材と前記中間部材とを連結する複数の第１の弾性構造体と、前記第２部材と前記中間部材とを連結する複数の第２の弾性構造体と、を有し、前記第１の弾性構造体と前記第２の弾性構造体は、前記中心軸を中心とする円周方向に沿って交互に配置され、前記角度検出手段の出力と、前記第１部材、前記第２部材、前記中間部材、前記第１の弾性構造体、前記第２の弾性構造体とからなる構造体のねじれ剛性とを用いてトルク値を検出する、ことを特徴とするトルクセンサである。
【００１３】
また、本発明は、力とモーメントを含む６軸の外力を測定する力覚センサであって、環状の第１部材と、外力の作用により前記第１部材に対して変位する第２部材と、前記第１部材に対する前記第２部材の変位を検出する変位検出手段と、前記第１部材に対向して配置された中間部材と、前記第１部材と前記中間部材とを連結する複数の第１の弾性構造体と、前記第２部材と前記中間部材とを連結する複数の第２の弾性構造体と、を備え、前記複数の第１の弾性構造体は、前記第１部材の中心と同心の円周上に間隔を開けて配置され、かつ、前記円周に対して垂直な軸線に対して第１のねじれ傾斜角で傾斜して配置され、前記複数の第２の弾性構造体は、前記第１部材の中心と同心の円周上に間隔を開けて配置され、かつ、前記円周に対して垂直な軸線に対して第２のねじれ傾斜角で傾斜して配置され、前記第１のねじれ傾斜角と前記第２のねじれ傾斜角は、前記垂直な軸線に対して逆方向のねじれ傾斜角度であり、前記第１の弾性構造体および第２の弾性構造体は、前記第１部材、前記中間部材、前記第２部材よりも剛性が低く、前記垂直な軸線まわりに３回以上の回転対称性を持つ、ことを特徴とする力覚センサである。
【００１４】
また、本発明は、ロボットハンドの指先にかかる力を検出する指先力センサであって、ロボットハンドに固定される第１部材と、指に固定される第２部材と、中間部材と、前記第１部材と前記中間部材を連結する弾性体を２列以上かつ４本以上有する第１の弾性構造体と、前記第２部材と前記中間部材を連結する弾性体を２列以上かつ４本以上有する第２の弾性構造体と、前記第１部材と前記第２部材の相対変位を検出する検出手段と、を有し、前記第１の弾性構造体が配置された方向と前記第２の弾性構造体が配置された方向が２５度以上異なり、前記検出手段の出力と、前記第１部材、前記中間部材、前記第２部材、前記第１の弾性構造体、前記第２の弾性構造体とからなる構造体の剛性と、を用いて前記指先にかかる力を検出する、ことを特徴とする指先力センサである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、検出精度が高く、コンパクトな力センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】６軸多関節ロボット組立て装置の斜視図である。
【図２】第一の実施形態に係る関節構造の例を説明する図である。
【図３】第一の実施形態に係る関節構造の別の例を説明する図である。
【図４】第一の実施形態に係るトルクセンサの構成図である。
【図５】第一の実施形態に係るトルクセンサの部分断面図である。
【図６】（ａ）積層造形法の制約条件を示す図である。（ｂ）積層造形法で積層造形可能な形状を示す図である。
【図７】第一の実施形態を説明するトルクセンサの斜視図である。
【図８】第一の実施形態に係る弾性体の模式図である。
【図９】（ａ）第一の実施形態に係る変形シミュレーションモデルである。（ｂ）変形シミュレーション結果である。
【図１０】第一の実施形態に係る応力解析結果である。
【図１１】第一の実施形態に係る弾性構造体の模式図である。
【図１２】（ａ）第一の実施形態に係る造形ユニットの分解図である。（ｂ）造形ユニットの組立て図である。
【図１３】（ａ）造形プレート上に積層造形された弾性体の図である。（ｂ）完成した弾性体の斜視図である。
【図１４】第一の実施形態に係る弾性構造体の模式図である。
【図１５】円周配置する弾性構造体の枚数を検討するモデルの模式図である。
【図１６】弾性構造体の数と剛性比のグラフである。
【図１７】（ａ）図１５に示したモデルの断面図である。（ｂ）実施形態のトルクセンサの断面図である。（ｃ）実施形態のトルクセンサの断面図である。
【図１８】第二の実施形態に係る力覚センサの構成図である。
【図１９】第二の実施形態に係る力覚センサの断面図である。
【図２０】第二の実施形態に係る弾性体の模式図である。
【図２１】（ａ）第二の実施形態に係る変形シミュレーションモデルである。（ｂ）Ｙ方向の外力Ｆｙをかけた時の変形を示す。（ｃ）Ｚ方向の外力Ｆｚをかけた時の変形を示す。（ｄ）Ｙ方向のモーメント力Ｍｙをかけた時の変形を示す。（ｅ）Ｚ方向のモーメント力Ｍｚをかけた時の変形を示す。
【図２２】（ａ）第二の実施形態に係る造形ユニットの分解図である。（ｂ）造形ユニットの組立て図である。
【図２３】（ａ）造形プレート上に積層造形された弾性体の図である。（ｂ）完成した弾性体の斜視図である。
【図２４】第二の実施形態の変形例に係る力覚センサの構成図である。
【図２５】（ａ）第二の実施形態の片持ち弾性構造体の模式図である。（ｂ）片持ち弾性構造体の変形を示す図である。
【図２６】（ａ）第二の実施形態の２本の片持ち弾性構造体の模式図である。（ｂ）片持ち弾性構造体の変形を示す図である。
【図２７】第二の実施形態を説明するＮ本の弾性構造体の模式図である。
【図２８】第二の実施形態を説明する弾性構造体の本数と、変位の比のグラフである。
【図２９】（ａ）第二の実施形態の２段弾性構造体の模式図である。（ｂ）片持ち弾性構造体の変形を示す図である。
【図３０】第二の実施形態の傾斜２段弾性構造体の模式図である。
【図３１】（ａ）第二の実施形態に係る円周配置・傾斜２段弾性構造体の分解図である。（ｂ）円周配置・傾斜２段弾性構造体の完成図である。
【図３２】第三の実施形態に係る指先力センサの分解図である。
【図３３】第三の実施形態に係る指先力センサの斜視図である。
【図３４】第三の実施形態に係る指先力センサの断面図である。
【図３５】第三の実施形態に係るオーバーハング角度を説明する図である。
【図３６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）第三の実施形態を説明する放射状配置した２本の弾性構造体の模式図である。
【図３７】第三の実施形態を説明する平行配置した２本の弾性構造体の模式図である。
【図３８】第三の実施形態を説明する２段弾性構造体の模式図である。
【図３９】第三の実施形態を説明する傾斜して接続した弾性体の模式図である。
【図４０】第三の実施形態を説明する剛性比のグラフである。
【図４１】第三の実施形態を説明する傾斜した２組の弾性構造体を示す模式図である。
【図４２】（ａ）第三の実施形態を説明する傾斜した２組の弾性構造体を示す分解図である。（ｂ）完成体の斜視図である。
【図４３】第三の実施形態を説明する弾性構造体の斜視図である。
【図４４】第三の実施形態を説明する剛性比のグラフである。
【図４５】第三の実施形態を説明する傾斜した２組の弾性構造体を示す模式図である。
【図４６】第三の実施形態を説明する感度比のグラフである。
【図４７】（ａ）第三の実施形態に係る変形シミュレーションモデル、（ｂ）Ｘ方向の外力Ｆｘをかけた時の変形、（ｃ）Ｙ方向の外力Ｆｙをかけた時の変形、（ｄ）Ｚ方向の外力Ｆｚをかけた時の変形、である。
【図４８】（ａ）第三の実施形態に係る造形ユニットの分解図である。（ｂ）造形ユニットの組立て図である。
【図４９】（ａ）造形プレート上に積層造形された弾性体の図である。（ｂ）完成した弾性体の斜視図である。
【図５０】（ａ）第三の実施形態の変形例１に係る弾性構造体の分解図である。（ｂ）第三の実施形態の変形例１に係る弾性構造体の完成図である。
【図５１】（ａ）第三の実施形態の変形例２に係る弾性構造体の分解図である。（ｂ）第三の実施形態の変形例２に係る弾性構造体の完成図である。
【図５２】円筒形の永久磁石における距離と磁束密度の関係を表すグラフである。
【図５３】光学式変位センサの公知技術を説明する第１の図である。
【図５４】光学式変位センサの公知技術を説明する第２の図である。
【図５５】光学式変位センサの構成を説明する図である。
【図５６】第三の実施形態の、そのほかの実施形態に係るトルクセンサの模式図である。
【図５７】光学式変位センサの組合せを説明する図である。
【図５８】第三の実施形態の、変形例に係る指先力センサの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
（第一の実施形態）
図１に、本発明の第一の実施形態である力センサを備えた６軸多関節ロボット装置１００を示す。本実施形態に係る力センサは、リンク２００〜２０６間を接続する６つの回転関節Ｊ１〜Ｊ６に取り付け、関節を介して伝達されるトルクを測定する。本実施形態にかかるセンサを、以下の説明ではトルクセンサと称する場合がある。
【００１８】
トルクセンサの関節への取り付けについて、図２を参照して説明する。ここでは、リンク２０１と２０２を接続するＪ２関節を示すが、６軸多関節ロボット装置１００の他の関節も同様の構成である。関節は、モーター５１２とトルクセンサ５２２を介してリンク間を接続する。この構成によれば、関節を伝わるトルクはすべてトルクセンサ５２２を通過するので、正確な関節トルクＭｚを測定することができる。ただし、トルクセンサには不要な曲げトルクＭｘやＭｙがかかる。曲げ方向の剛性が弱いと、ロボット全体の固有振動数が下がり、ロボットの運動性能に好ましくない影響が生じるので、曲げ方向については高い剛性が必要である。従って剛性の比α＝Ｍｘ／Ｍｚが高いほうが高性能なトルクセンサと言える。また、関節の厚さＬａは、モーター５１２とトルクセンサ５２２で決まるので、トルクセンサの厚さは小さい方が好ましい。
【００１９】
また、トルクセンサの取付け方法を変更した構成例を図３に示す。図２の例では、トルクセンサ５２２の固定は両側からボルト締めで行うことを想定していたが、図３の例では片側からのボルト締めが可能である。本実施形態のセンサは、このような関節構成に、より適している。また、この例でも関節の厚さＬｂは、モーター５１２とトルクセンサ５２２で決まるので、トルクセンサの厚さは小さい方が好ましい。
【００２０】
本実施形態のトルクセンサの構成を、図４の概観斜視図および図５の部分断面図に示す。説明の便宜のため、センサの中心にＸＹＺ座標を定義する。このトルクセンサの取り付け方法を、図３に示したＪ２関節の場合で説明する。トルクセンサは、第１部材１と第２部材２を備えており、第１部材１はモーター５１２に固定し、第２部材２はリンク２０２に固定する。
また、中間部材４を設け、第１部材１と中間部材４を板ばね等の第１の弾性構造体５で連結し、第２部材２と中間部材４を板ばね等の第２の弾性構造体６で連結する。弾性構造体５と弾性構造体６は、それぞれ複数設けられており、交互に配置されている。
【００２１】
第１部材１、第２部材２、中間部材４、および第１の弾性構造体５、第２の弾性構造体６で、トルクセンサの弾性体７を構成する。中心軸であるＺ軸を中心に配置された第１部材と第２部材は、同心だが互いに半径が異なる環状部分を有している。
【００２２】
Ｚ軸に対して点対称の位置にある２箇所に、第１部材と第２部材の変位（相対角）を測定するための角度検出手段を設ける。角度検出手段は、スケール８とセンサ基板９を備え、スケール８とセンサ基板９の相対変位を出力する。
【００２３】
本実施形態のセンサは、環状の第１部材と、外力が印加されない状態において、第１部材と平行かつ中心軸が同軸になるよう配置され、第１部材よりも大きな半径を有する環状の第２部材と、第１部材と第２部材の相対角度を検出する角度検出手段を備える。さらに、第１部材と第２部材から離れて配置された中間部材と、第１部材と中間部材とを連結する複数の第１の弾性構造体と、第２部材と中間部材とを連結する複数の第２の弾性構造体とを有する。第１の弾性構造体と第２の弾性構造体は、中心軸を中心とする円周方向に沿って交互に配置されている。角度検出手段の出力と、第１部材、第２部材、中間部材、第１の弾性構造体、第２の弾性構造体とからなる構造体のねじれ剛性の情報とを用いてトルク値を検出するセンサである。
【００２４】
本実施形態の力センサは、図５に示すように、第１部材と第２部材の距離は、中間部材と第１部材の距離、および中間部材と第２部材の距離のいずれよりも小さい。前述したように、変位を検出するには、検出対象の距離（第１部材と第２部材の距離）が短いほうが高感度を実現しやすい。
すなわち、本実施形態では、第１部材、第２部材、中間部材の３つの部材のうち、相対距離が最も短い第１部材と第２部材の変位を検出するので、高感度を実現する上で有利な構成である。さらに、この構成なら、検出手段を取り付けるための部品サイズも小型ですむ。この部品の寸法変化や振動は測定値の精度に影響するので、サイズを小さくすることは重要である。
【００２５】
第１部材と第２部材の隙間の距離は、具体的には１０μｍから１０ｍｍまでの範囲が好ましい。本発明によるセンサでは、第１部材と第２部材は弾性体の変形により相対位置が変化するため、接触を防止するために隙間は弾性体の最大変形量よりも大きくなければならない。弾性体の剛性を高くした方が最大変形量を小さくでき、隙間を小さくするうえでは好ましいが、隙間が小さくなりすぎると変位検出手段に極めて高い測定感度が必要となる。そこで、現実的には隙間は１０μｍ程度とするのが好ましい。機械部品の加工精度を考慮しても、やはり下限を１０μｍとするのが好ましい。
一方、隙間の上限はトルクセンサのサイズに影響する。ロボットアームやロボットハンドへの搭載を考えると、上限は１０ｍｍ程度とするのが好ましい。
【００２６】
ここでは、変位検出手段としてまず磁気式を前提に説明するが、後述するように光学式を用いることも可能である。第１部材１にセンサ基板９を取付けボルト１０で固定し、第２部材２にスケール８を接着固定する。２つのセンサ基板９からの信号線を、トルクセンサの制御基板１１に接続する。制御基板１１では、次のような信号処理を行う。すなわち、２つのセンサ基板９の出力を平均し、変位検出手段の取り付け半径で割ることによって第１部材と第２部材の相対角度を計算する。この相対角度に、あらかじめ設定した情報である弾性体７のねじり剛性Ｋｚをかけて、トルクの値に変換して出力する。
【００２７】
以上の構成において、トルクセンサにねじりトルクＭｚがかかると、第１の弾性構造体５および第２の弾性構造体６が変形し、第１部材１と第２部材２が相対的に回転変位する。この回転変位は２箇所に配置した変位検出手段で検出される。点対称の２箇所で検出した変位を平均しているため、回転以外の誤差成分、例えばＸＹの平行移動などの誤差はキャンセルされ、高精度にトルクを検出できる。
ここで、第１の部材１と第２の部材２の距離が小さいことが重要である。前述したように距離が小さい部品間の相対距離を測定するほうが、距離が大きい場合より高い感度を実現できるからである。
【００２８】
この実施形態では、第１の弾性構造体と第２の弾性構造体を各々２４本設けたが、本発明の実施形態はこの例に限られない。弾性構造体の本数を増やせば、剛性比を高くすることができる。例えば、第１の弾性構造体と第２の弾性構造体を各々１９２本にすれば、４倍の剛性比が期待できる。弾性構造体のサイズや本数は、例えば有限要素法などを用いたシミュレーションによって設計することができる。
【００２９】
次に、本実施形態における弾性構造体のサイズや本数の求め方を説明する。まず、本実施形態の考え方について説明する。
本実施形態の説明において、数式で扱う主な記号の定義は、以下のとおりである。
Ｌ：弾性構造体の長さ
Ｈ：弾性構造体の厚さ
Ｂ：弾性構造体の幅
Ｅ：弾性構造体の縦弾性係数
Ｒ：弾性構造体の円周配置、半径
Ｎ：弾性構造体の数
Ｍｘ：ｘ軸まわりの回転モーメント、曲げトルク
Ｍｚ：ｚ軸まわりの回転モーメント、ねじりトルク
【００３０】
トルクセンサは弾性体と回転角測定手段から構成されているので、力学的な性能は弾性体で決まる。そこでまず、材料力学の観点から、円周上に弾性構造体を配置した構造の特性を明らかにする。特に、弾性構造体の数が多い方が、ねじれ方向と曲げ方向の剛性の比が高く、性能の高いトルクセンサを構成できることを明らかにする。
【００３１】
図１５に示すモデルを参照して、弾性構造体の枚数について説明する。説明の便宜のため、トルクセンサの中心にＸＹＺ座標を設定する。トルクセンサには測定すべきｚ軸回りのねじりトルクＭｚの他に、曲げトルクＭｘもかかる。
トルクセンサは、Ｍｚによるねじれ変形、すなわち微小な回転角を検出し、ねじれ方向の剛性Ｋｚを使ってトルク値に変換する。従って剛性Ｍｚはトルクセンサの測定可能範囲や、回転角検出手段の分解能などから決まる設計値である。
【００３２】
一方、ねじれ方向と直交する曲げ方向の剛性ＫｘやＫｙはトルクセンサを取付ける装置全体の固有振動数に影響するので硬いほうが望ましい。もし硬くできないと、図１に示すロボットアームの関節が柔らかくなるため、固有振動数が下がり、振動しやすくなってしまう。
つまり、ねじれ方向の剛性Ｋｚに対し曲げ方向の剛性ＫｘやＫｙが高いことがトルクセンサにとって重要である。
また、対称性を考えるとＫｘとＫｙは同じなので、これ以後はＫｘのみを考える。
【００３３】
図１５に示すモデルは、実施形態とは異なり、従来のトルクセンサと同様に第１部材１と第２部材２を対向させ、その間を複数の弾性構造体３ａ、３ｂ、３ｃ、・・・、で連結している。
Ｚ軸まわりの回転剛性Ｋｚは、半径Ｒの円周にＮ本配置した弾性構造体のまげ剛性をＫｓとして、
【００３４】
【数２】
2019045216.tif 000004
弾性構造体を矩形断面としてＫｓをさらに展開すると、
【００３５】
【数３】
2019045216.tif 000005
一方、Ｘ軸まわりの回転剛性Ｋｘは、Ｎ本配置した弾性構造体の圧縮方向の剛性をＫｐとして、
【００３６】
【数４】
2019045216.tif 000006
弾性構造体を矩形断面としてＫｐをさらに展開すると、
【００３７】
【数５】
2019045216.tif 000007
トルクセンサは測定方向の剛性Ｋｚに対してまげ方向の剛性Ｋｘが高いほうが好ましい。両者の剛性比をαとすると、
【００３８】
【数６】
2019045216.tif 000008
つまり、弾性構造体の長さと厚さの比Ｌ／Ｈが大きいほど剛性比が大きいので、優れたトルクセンサを構成できる。さらに、数式３を代入すると次式を得る。
【００３９】
【数７】
2019045216.tif 000009
【００４０】
前述したように、トルクセンサのねじれ方向の剛性Ｋｚは設計条件として与えられるので、剛性比αを大きくするためには、次の項を大きくすれば良いことがわかる。
【００４１】
【数８】
2019045216.tif 000010
例えば、弾性構造体の数Ｎは大きいほうが有利である。
【００４２】
次に、以下に列挙する具体的な数値を入れて、弾性構造体の数の効果を示す。
材料を鉄系とし、Ｅ＝２００  Ｇｐａ
センサの半径：  Ｒ＝１００  ｍｍ
センサの厚さ：  Ｌ＝１０  ｍｍ
弾性構造体の幅：  Ｂ＝１０  ｍｍ
弾性構造体の厚さ：  Ｈ＝２  ｍｍ
弾性構造体の数   ：  Ｎ＝２４  本
ねじれ方向剛性：  Ｋｚ＝１２０ｋＮｍ／ｒａｄ    （数式３より）
曲げ方向剛性：  Ｋｘ＝６０００  ｋＮｍ／ｒａｄ    （数式４より）
剛性比：  α＝５０    （数式６より）
弾性構造体の数Ｎを増やしても設計条件である剛性Ｋｚが変わらないように、厚さＨをＮの１／３乗に反比例して変化させればよい。
【００４３】
弾性構造体の数Ｎに対して剛性比αをプロットしたグラフを図１６に示す。この図から明らかなように、弾性構造体の数が多いほど剛性比が高いトルクセンサを構成できる。
数式６でＬ／Ｈの比が大きいほど有利なことを述べたが、Ｌはトルクセンサの厚さを決定する。つまり、トルクセンサを薄型にすることと、剛性比を高めることはトレードオフの関係にあり、この構成では薄型化に限界がある。そこで、次に弾性構造体を２分割することを考える。
【００４４】
図１７（ａ）は、図１５で説明した従来のトルクセンサ弾性体の断面図である。第１部材１と、第２部材２の間を弾性構造体３で連結する構造であった。
本発明の実施形態では、図１７（ｂ）に示すように中間部材４を設け、第１部材１と中間部材４を第１の弾性構造体５で連結し、第２部材２と中間部材４を第２の弾性構造体６で連結する。
弾性構造体が直列に２段あるので、１段あたりでは２倍の剛性が弾性構造体に必要である。一方、剛性は数式３よりＬの３乗に反比例するので、長さＬは約０．８倍となり、トルクセンサの厚さを、約２０％薄くできる。
以上、２段の弾性構造体構造を有する本実施形態によって、薄型のトルクセンサを実現できることを説明した。
【００４５】
さらに、本発明の実施形態では、図１７（ｃ）に示すように、２組の弾性構造体５、弾性構造体６を傾斜させ紙面に前後にずらして配置すれば、傾斜させた分だけ、さらに薄くできる。例えば４５度傾斜させれば、厚さはｓｉｎ（４５度）となるので、おおよそ３０％薄くできる。
【００４６】
また、この構成にはトルクセンサを薄くする他に、別の効果がある。図１７（ｂ）の構成は、曲げトルクＭｘにより中間部材４が変形し、曲げ剛性が下がる。図１７（ｃ）の構成は、中間部材４のサイズを半分以下にできるので中間部材の変形が抑えられ、曲げ剛性が上がる。その結果、剛性比の高いトルクセンサを構成できる。
以上、２段の弾性構造体を交互に組み合わせる構造によって、さらに薄型で、剛性比の高いトルクセンサを実現できる。
【００４７】
図７は、本実施形態のトルクセンサの３次元的な構成を例示する斜視図である。第１部材と第２部材は同一の平面に沿うよう配置され、中間部材は、該平面に投影したときに射影の少なくとも一部が第１部材と第２部材の間隙部と重なるように、該平面から離れて配置されている。
【００４８】
また、複数の第１の弾性構造体は、第１部材から中間部材向けて見たときの傾きが、環状部分の中心から離れる向きになるよう配置されている。また、複数の第２の弾性構造体は、第２部材から中間部材向けて見たときの傾きが、環状部分の中心に向かうよう配置されている。
【００４９】
本実施形態の弾性体は、積層造形装置や積層造形法を用いて製作可能である。一般的な積層造形法ではオーバーハング角に限界があり、特に水平天井は造形することが困難である。しかし、本実施形態によれば、弾性構造体を多数化し、弾性構造体と弾性構造体の間を傾斜面Ｓで接続することにより、オーバーハング角を制限内に抑えることができるため、積層造形可能である。
【００５０】
図６（ａ）は、積層造形法の制約条件を説明するための図である。ベース１１０の上にアーチ状の目標造形物１１１を造形する。この造形物はオーバーハングしており、図中の点Ｑにおけるオーバーハング角はβである。一般に、積層造形法ではこのオーバーハング角に限界があり、その角度より大きい部分は造形できない。この角度は、例えば６０度といった角度である。水平天井は、オーバーハング角９０度なので、一般に造形できない。
図６（ｂ）に積層造形可能な形状１１２を示す。これはオーバーハングの限界角がβ以上の部分をカットした形状である。
【００５１】
図８に、オーバーハング角に着目した弾性体の模式図を示す。第１部材１、中間部材４、およびその間をつなぐ第１の弾性構造体５、第２の弾性構造体６において、オーバーハングが懸念される部分は図７と図８に示したＳ１〜Ｓ４部である。このオーバーハングが、前述した制限値以内になるように、弾性構造体のピッチＢと、縦方向の寸法Ｃを設計する必要がある。図８の模式図によれば次のような条件である。
【００５２】
【数９】
2019045216.tif 000011
【００５３】
寸法Ｃを小さくしてトルクセンサを薄型にするためには、弾性構造体のピッチＢが狭い方が、すなわち弾性構造体の数が多いほうが好ましい。弾性構造体の数を増やすことは、後述するように、トルクセンサの剛性比を向上するためにも役に立つ。
本実施形態における弾性体は、弾性構造体の数を増やすことによって、剛性比を改善し、オーバーハング角を抑え、積層造形可能とすることができる。
このことを踏まえ、弾性構造体のサイズ、本数を、シミュレーションにより求める方法の一例について説明する。
【００５４】
図９（ａ）は、シミュレーションに用いた弾性体のＦＥＭモデルである。図４の模式図と異なる点は以下である。
Ａ：変位検出手段を上側に取り付けるため、弾性構造体を設けない領域を２箇所配置した。
Ｂ：トルクセンサを取り付けるため、ボルト穴を有した。
Ｃ：弾性体の体積を減らすため、中間部材上面のカドに丸みをもたせた。
図９（ｂ）は外側の部材にＺ方向のモーメント力Ｍｚ＝１Ｎｍをかけた時の変形を示す。
同様にＭｘも計算する。ＦＥＭシミュレーションの計算結果を以下の表にまとめた。
【００５５】
【表１】
2019045216.tif 000012
この表より、剛性比Ｍｚ／Ｍｘは１６．７である。
【００５６】
また、ねじりトルクＭｚがかかる時の弾性構造体の応力分布を、図１０に示す。図１０において、１は第１部材、２は第２部材、４は中間部材、５は第１の弾性構造体、６は第２の弾性構造体６を示す。また、色の濃淡を用いて応力の大きさを示すが、色が淡いほど応力が大きく、色が濃いほど応力は小さい。
【００５７】
第１の弾性構造体５で最も応力が集中するのは下側かつ外側のＡ部、次に応力が大きいのは上側かつ内側のＢ部であった。第２の弾性構造体６で最も応力が集中するのは下側かつ内側のＣ部、次に応力が大きいのは上側かつ外側のＤ部であった。
【００５８】
一般に応力が高い部分から破壊が起こるので応力の集中は低減したいが、応力を下げるためには、ひずみを低減すれば良い。
一つの解決方法は、弾性構造体の厚さを薄くすることである。応力の小さい弾性構造体の中立面からの距離が短くなり、応力を下げることができる。図中、応力の集中するＡ〜Ｄ部を薄くすることにより、応力の最大値を低減できる。
【００５９】
この弾性構造体を、図１１に示す。厚さについては、説明の便宜のため非等縮尺で誇張して描いている。さきほどの変形シミュレーションで応力が大きかった部分Ａ〜Ｄ部の板厚を薄くした構成である。尚、応力を下げる別の方法として、隅部に曲率をつけて滑らかにする方法があるが、このような方法との組み合わせも有効である。
【００６０】
次に、このように設計したセンサの製造方法を説明する。前述したように、本実施形態によるセンサはオーバーハング角が小さいため、積層造形法による製造が可能である。
図１２（ａ）、図１２（ｂ）を用いて、積層造形装置に取り付ける造形ユニット２０の説明をする。図１２（ａ）は、造形ユニット２０の分解図で、図１２（ｂ）は造形ユニット２０を組み立てた完成図である。
【００６１】
第１部材１と、第２部材２はリング状の部品である。旋盤などであらかじめ形を製作し、造形プレート２１にねじ止めし、造形ユニット２０を完成させる。この時、造形ユニット２０の最上面が、第１部材１と、第２部材２の上面になるように設計しておくことが肝要である。すなわち、第１部材の外面のうち第１の弾性構造体と連結する面と、第２部材の外面のうち第２の弾性構造体と連結する面は、平行になるようにする。積層造形装置は、第１部材および第２部材の最上面から造形を開始するからである。造形材料の粉体を積層し、第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材の形状に応じてレーザ光を照射して第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材を造形する。
【００６２】
図１３（ａ）は造形ユニット２０の上に、積層造形装置を用いて第１の弾性構造体、第２の弾性構造体、および中間部材を造形し、弾性体７を形成した図である。この形状を積層造形法で製作できることは、すでに説明済みである。造形プレートの固定ねじを外すと図１３（ｂ）に示すように完成した弾性体７を取り出すことができる。
【００６３】
すなわち、第１部材と、第２部材を造形プレートに対して脱着可能に位置決め固定し、第１部材と第２部材の上面に、造形材料の層を積み重ねて第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材を造形する。そして、第１部材と第２部材と第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材が一体化した３次元造形物を形成した後に、３次元造形物を造形プレートから脱着する。
【００６４】
この製造方法は、従来の積層造形法と比べて、次の点で製造コストを低減することができる。
第一に、造形物を切り出す加工が不要である。従来はワイヤカットなどの機械加工により造形物を切り離していたが、本発明によれば、ねじを外すだけで脱着するので工程が簡易化されコストを低減できる。
【００６５】
第二に、造形後の機械加工が必要最小限で済む。従来は、三次元造形物のうち高い精度が必要な部分は、造形後に機械加工する必要があった。造形後に機械加工を行うと、被加工物が複雑な形状をしているので、加工用の専用治具が必要となりコストがかかっていた。本実施形態によれば、精度が必要な第１部材と第２部材をあらかじめ準備し、この部分については積層造形をしていないため追加の機械加工は不要であり、コストを低減できる。
【００６６】
第三に、造形材料の量を減らすことができる。積層造形法で使用する造形材料は、一般に高価である。本実施形態によれば、弾性体７の全体を積層造形するのではなく、一部だけ造形するので造形材料を減らすことができ、コストを抑制できる。より具体的には、弾性体７のうち第１部材１と第２部材２は積層造形しないため、高価な造形材料を節約できる。
【００６７】
第四に、本実施形態によれば、造形プレートを繰り返し使用することが可能である。造形プレートの上に積層した造形材をレーザ焼結する積層造形法では、造形後には、レーザ照射によって造形プレートの表面が溶融するので、次の造形には使えない。本実施形態によれば、造形プレートにはレーザが当たらないので劣化することがなく、何度も使えるので、弾性構造体の製造コストを低減することが可能である。
【００６８】
以上のように本実施形態のトルクセンサは、積層造形法で製作する事が可能であり、製作コストを低減できる。また、製造誤差が生じても、弾性構造体の本数が多いので１本の弾性構造体の製作誤差は平均化され、機能上の影響は小さい。
また、従来の機械加工と異なり積層造形法は複雑な形状を形成できるため、弾性構造体の本数を増やし、ねじり方向と曲げ方向の剛性比をさらに向上させることも容易である。
尚、本実施形態では積層造形法により製造する方法について述べたが、これに限ることはなく、場合によっては、機械加工のみによって製造してもよい。
また、本実施形態では弾性構造体の断面を矩形として説明したが、矩形に限定されるものではない。例えば、角を丸めた矩形や、楕円を採用することも可能である。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態によれば、薄型で、剛性比が高いセンサを実現できる。また、水平天井が存在しない構造を採用できるため、積層造形法で製造可能なセンサを実現できる。また、弾性構造体にかかる応力集中を緩和させることができ、弾性構造体の疲労破壊を防止し、トルクセンサの寿命を延ばし、信頼性を向上させることができる。
【００７０】
（第一の実施形態の変形例１）
図１４に、第一の実施形態の変形例の部分斜視図を示す。第一の実施形態に対して、弾性構造体にスリットを入れて分割した点が異なる。図において、第１の弾性構造体の中央に隙間Ｇのスリットを設け、５ａと５ｂの２枚より成る構造とする。第２の弾性構造体も同様に、６ａと６ｂの２枚より成る構造とする。すなわち、第１の弾性構造体および／または第２の弾性構造体は、スリットにより分離された複数の弾性体を有する。
【００７１】
弾性構造体のねじり剛性、すなわち図１４におけるγ軸まわりのねじり剛性は、断面２次極モーメントに比例する。断面がａ×ｂの１枚の弾性構造体の断面２次極モーメントＩｐ１は次式で計算できる。
【００７２】
【数１０】
2019045216.tif 000013
【００７３】
弾性構造体を分割して２枚にすることを考える。尚、ここでいう分割とは、もともと一つの物体であったものを物理的に切断加工して分離することを意味するものではなく、弾性構造体が独立した２つの部分を含むように構成することを意味するものである。したがって、スリットを挟んで分離して配置された２つの部分を、積層造形法で形成したものであってもよい。
【００７４】
寸法ａを半分にすると、上式は半分よりも小さくなる。つまり、弾性構造体が２枚になっても、断面２次極モーメントが半分より小さくなるので、全体のねじり剛性は下がる。
一方、図におけるγ軸方向の剛性は、弾性構造体の断面積に比例する。弾性構造体を分割する隙間Ｇを十分小さくすれば、分割する前と同じ剛性が得られる。γ軸方向の剛性が変わらないのでトルクセンサの曲げ方向の剛性も変わらない。
【００７５】
以上をまとめると、弾性構造体の総体積を変えずに複数に分離して配置すると、ねじり剛性が下がり、曲げ剛性は変わらない。従って曲げ方向の剛性とねじり方向の剛性の比をさらに大きくすることができる。
本変形例では、弾性構造体を分離する隙間Ｇは十分小さいとして説明した。この仮定が成り立つ範囲で設計すれば、分割数を増やせば増やすほど剛性比を改善できる。
【００７６】
また、分割した弾性構造体においても、図１０を用いて説明した応力分布は同じことが言えるので、図１１に示したように弾性構造体の厚さを変化させることにより、応力集中を防止し、耐久性を向上させることができる。
【００７７】
（第一の実施形態の変形例２）
また、第一の実施形態の変形例２として、磁気式センサの代わりに光センサを変位検出手段として用いた実施形態を、図５３〜図５６を用いて示す。
図５３、図５４に光センサの例を示す。これは、例えば特開平４−１３０２２０に記載されているセンサと類似のものである。レーザ光源１００１から出射した光線は、コリメータレンズ１００２で平行光線となり、偏光ビームスプリッタ１０１７、波長板１００５を通過し、第１の回折格子１１０１に入射し、１次回折光として２つに分割される。回折光は、第２の反射型回折格子１１０２に入射し、反射した回折光が再び回折格子１１０１を透過し干渉する。この干渉光の明暗を、受光手段１００８で検出する。図示してないが、受光手段１００８を２つ設けて干渉光の位相も測定することにより移動方向を知る技術も、例えば特開昭６３−３１１１２１により公知である。
【００７８】
このような構成による光センサの模式図を、図５５に示す。図中、Ａ１００は、光学部と電気回路を集積して一体化した回路部である。回路部Ａ１００には、電気信号を取り出すための電極が設けられている。回折格子を有するスケールＡ１０１は、回路部Ａ１００と一定の隙間をあけて保持され、回折格子の刻まれるＡ１０２方向の相対変位を測定することができる。
【００７９】
図５６に、この光センサを組み込んで構成したトルクセンサを示す。さきほどの実施形態に対し、磁気式センサが光センサに変更された部分だけが異なる。
スケールＡ１０１ａを第２部材２に固定して設ける。このスケールＡ１０１ａは方向Ａ１０２ａの回折格子を有する。図示したように、Ｚ軸まわりの回転方向とスケールの方向Ａ１０２ａを一致させる。このスケールＡ１０１ａに対向して、回路部Ａ１００ａを電気基板Ａ１０３ａに固定して設ける。光センサ用の電気基板Ａ１０３ａは、第１部材にねじ１０を用いて固定する。以上のＡ１００ａ〜Ａ１０３ａを、Ｚ軸に対して対称な位置にもう一組、Ａ１００ｂ〜Ａ１０３ｂのように設ける。光センサ用の電気基板Ａ１０３ａ、Ａ１０３ｂからの信号を制御基板１１に接続し、第１部材１と第２部材２の、相対的な回転変位を出力する。残余の部分の構成と、作用は前述した実施形態と同じなので説明を省略する。
【００８０】
以上説明したように、第一の実施形態およびその変形例によれば、検出精度が高く、コンパクトで製造コストが低廉なトルクセンサを提供することができる。
【００８１】
（第二の実施形態）
第一の実施形態では、図１に示すロボットシステムにおいて、回転関節Ｊ１〜Ｊ６に取り付けられるトルクセンサの例を示した。第二の実施形態では、ロボットアームとロボットハンド２１０の間の手首部に配置されて用いられる力センサについて説明する。本実施形態に係る力センサを、本明細書では力覚センサと称する場合がある。
力覚センサ２０７は、組付け作業などでハンドの先端にかかる６方向の力や回転モーメント力を検出し、コントローラ１０２により、測定値に応じたロボットの制御を行う。
【００８２】
ここで、力覚センサ２０７からハンド先端までの距離Ｐは、一般的に小さくない。例えば、１００ｍｍ以上である。先端にかかる力により、ハンドの先端の位置がずれると、高い精度の組立はできないので、力覚センサ２０７には高いモーメント剛性が必要である。
【００８３】
図１８は第二の実施形態の力覚センサの構成を示す斜視図、図１９は部分断面図、図２０は一部拡大図である。図示のように、力覚センサの弾性体６０７は、ロボットアームに固定する第１部材６０２と、ロボットハンドに固定する第２部材６０３、および中間部材６０４を有する。第１部材６０２と中間部材６０４の間を、板ばね等の第１の弾性構造体６０５を介して連結し、第２部材６０３と中間部材６０４の間を、板ばね等の第２の弾性構造体６０６を介して連結する。
【００８４】
図１８に示すように、第１の弾性構造体６０５は、第１部材６０２の外面のうち第１の弾性構造体と連結する面からの法線方向に対して傾くように配置されている。また、第２の弾性構造体６０６は、第２部材６０３の外面のうち第２の弾性構造体と連結する面からの法線方向に対して傾くように配置されている。第１部材と第２部材は、同心だが互いに半径が異なる環状部分を有している。
【００８５】
また、複数の第１の弾性構造体６０５は、第１部材から中間部材に向けて見たときの傾きが反時計回りに並ぶように配置され、複数の第２の弾性構造体６０６は、第２部材から中間部材に向けて見たときの傾きが時計回りに並ぶように配置されている。尚、第１の弾性構造体と第２の弾性構造体で向きが逆になるよう並べばよいので、時計回りと反時計回りの関係は、逆であってもよい。
【００８６】
また、複数の第１の弾性構造体は、第１部材から中間部材向けて見たときの傾きが環状部分の中心に向かう向きに配置され、複数の第２の弾性構造体は、第２部材から中間部材向けて見たときの傾きが環状部分の中心から離れる向きに配置されている。
【００８７】
本実施形態は、力とモーメントを含む６軸の外力を測定する力覚センサであって、環状の第１部材と、外力の作用により第１部材に対して変位する第２部材と、第１部材に対する第２部材の変位を検出する変位検出手段を備える。また、第１部材に対向して配置された中間部材と、第１部材と中間部材とを連結する複数の第１の弾性構造体と、第２部材と中間部材とを連結する複数の第２の弾性構造体とを備える。そして、複数の第１の弾性構造体は、第１部材の中心と同心の円周上に間隔を開けて配置され、かつ、円周に対して垂直な軸線に対して第１のねじれ傾斜角で傾斜して配置される。複数の第２の弾性構造体は、第１部材の中心と同心の円周上に間隔を開けて配置され、かつ、前記円周に対して垂直な軸線に対して第２のねじれ傾斜角で傾斜して配置される。第１のねじれ傾斜角と第２のねじれ傾斜角は、垂直な軸線に対して逆方向のねじれ傾斜角度であり、第１の弾性構造体および第２の弾性構造体は、第１部材、中間部材、第２部材よりも剛性が低く、垂直な軸線まわりに３回以上の回転対称性を持つ。
【００８８】
ここで、第１部材６０２、第２部材６０３、および中間部材６０４は、第一の弾性構造体６０５および第二の弾性構造体６０６に対して十分に硬く、変形しにくいように寸法を設計する。具体的には後述する変形シミュレーションを用いて設計する。
また、この実施形態では弾性構造体の本数を３６本として示したが、弾性構造体の本数を増やせば、モーメント剛性をさらに高くすることができる。弾性構造体のサイズや本数は、後述する変形シミュレーションなどを用いて設計する。
【００８９】
この弾性体６０７の３カ所に、次に説明する磁気式の変位検出手段を設ける。変位検出手段を構成する磁石６０８は、第１部材２に接着固定する。この磁石の３方向の位置を周囲に配置した磁気抵抗素子や、ホール素子で検出する。変位検出手段を構成する検出基板６０９は、第２部材３にねじ６１０を用いて固定する。このように基板をねじで固定する目的は、固定されている磁石との位置を調節して固定するためである。この検出基板６０９は磁石６０８の３方向の位置に応じて３種類の信号を出力する。検出基板は３セットあるので合計９つの信号が得られる。
【００９０】
本実施形態のセンサは、図１９に部分断面を示すように、第１部材と第２部材の距離は、中間部材と第１部材の距離、および中間部材と第２部材の距離のいずれよりも小さい。前述したように変位検出は、検出対象の距離（第１部材と第２部材の距離）が短いほうが高感度を実現できるので、本実施形態の構成は有利である。
すなわち、本実施形態では、第１部材、第２部材、中間部材の３つの部材のうち、相対距離が最も短い第１部材と第２部材の変位を検出するので、高感度を実現する上で有利な構成である。さらに、この構成なら、検出手段を取り付けるための部品サイズも最小ですむ。この部品の寸法変化や振動は測定値の精度に影響するので、サイズを小さくすることは重要である。
【００９１】
第１部材と第２部材の隙間の距離は、具体的には１０μｍから１０ｍｍまでの範囲が好ましい。本実施形態によるセンサでは、第１部材と第２部材は弾性体の変形により相対位置が変化するため、接触を防止するために隙間は弾性体の最大変形量よりも大きくなければならない。弾性体の剛性を高くした方が最大変形量を小さくでき、隙間を小さくするうえでは好ましいが、隙間が小さくなりすぎると変位検出手段に極めて高い測定感度が必要となる。そこで、現実的には隙間は１０μｍ程度とするのが好ましい。機械部品の加工精度を考慮しても、やはり下限を１０μｍとするのが好ましい。
一方、隙間の上限は力覚センサのサイズに影響する。ロボットアームやロボットハンドへの搭載を考えると、上限は１０ｍｍ程度とするのが好ましい。
【００９２】
３セットの検出基板からの９つの信号をベクトルａと記述する。この信号すなわちベクトルａを、図１のコントローラ１０２に送信し、６軸の力覚値ベクトルＦに次式を使って変換する。
【００９３】
【数１１】
2019045216.tif 000014
【００９４】
ここで、６行９列の行列Ａｉ，ｊは、実験や後述する変形シミュレーションにより、予め求める定数である。具体的には、力覚センサにかける力Ｆに対して得られる信号ａの組合せを、実験やシミュレーションで多数収集し、最小２乗法などを用いて係数行列Ａｉ，ｊを求める。
弾性体の変形は微小なので、上式の線形変換で十分だが、より精度よく変換するには上式ではなく、一般化した関数ｆｉ（ａ）を用いる。
【００９５】
【数１２】
2019045216.tif 000015
【００９６】
本実施形態に係る弾性体は、積層造形法で製作可能である。第一の実施形態でも説明したように、積層造形法ではオーバーハング角に限界があり、特に水平天井を造形するのは困難であるが、本実施形態では水平天井の部分が存しない形状とすることができる。
【００９７】
図２０に、オーバーハング角に着目した本実施形態の弾性体の概念図を示す。第１部材６０２と中間部材６０４と、その間をつなぐ第一の弾性構造体６０５において、オーバーハングが懸念される部分は図に示した３カ所のＡ、Ｂ、Ｃである。
Ａは、弾性構造体の下面であり、弾性構造体の傾斜角をオーバーハング角以下、例えば６０度以下にすることは可能である。
【００９８】
ＢおよびＣは、中間部材の下面であり、図２０中、弾性構造体６０５の間隔Ｄと、中間部材６０４の切り欠き距離Ｅで決まるＢ面やＣ面の角度を、オーバーハング角以下、例えば６０度以下にすることは可能である。
ここで、切り欠き距離Ｅはセンサ全体の縦方向のサイズに関係しているので、小さくしたい。従って弾性構造体６０５の間隔Ｄを小さくするのが好ましい。言い換えると、弾性構造体の本数が多い構成が好ましい。
以上説明したように、本実施形態による弾性体はオーバーハング角を抑えることが可能であり、積層造形法により製造することが可能である。
【００９９】
次に、図１８で示した本実施形態による弾性体６０７の第一の弾性構造体６０５、第二の弾性構造体６０６のサイズや本数をシミュレーションによって求める方法の一例について説明する。
まず、本実施形態の考え方について説明する。
本実施形態の説明において、数式で扱う主な記号の意味は、以下のとおりである。
Ｌ：弾性構造体の長さ
ｈ：弾性構造体の厚さ
ｂ：弾性構造体の幅
Ｉ：弾性構造体の断面２次モーメント、矩形断面の場合Ｉ＝  ｂｈ３／１２
Ａ：弾性構造体の断面積、矩形断面の場合  Ａ＝ｂｈ
Ｅ：縦弾性係数
Ｆ：外力
Ｐ：外力がかかる先端位置
δ：変位
Ｄ：弾性構造体の間隔
Ｎ：弾性構造体の本数
まず、材料力学の観点から、力覚センサが備えるべき回転モーメントに対する剛性の考え方について述べる。
【０１００】
図１に示したように、力覚センサ２０７は、ロボットアームとハンドの間の手首部分に取り付けられ、ハンドにかかる力やモーメントを検出する装置である。力覚センサ２０７からＰ離れた位置に外力Ｆがかかった時、力覚センサにおける変位δはできるだけ小さくしたい。なぜならば、変位が大きいとハンドの先端の位置がずれてしまい、組み立て等の精密な作業に支障をきたす可能性があるからである。
【０１０１】
図２５（ａ）に示すように、片持ち弾性構造体の先端にハンド６０１を接続し、先端に水平方向の外力Ｆが加わる場合を考える。この場合、外力Ｆにより、図２５（ｂ）のように変形する。
この時の先端の変位δを、水平移動の影響δＦと、傾きの影響δＭに分けて考える。
【０１０２】
【数１３】
2019045216.tif 000016
片持ち弾性構造体の公式から、それぞれの変位量は次のように求まる。
【０１０３】
【数１４】
2019045216.tif 000017
【０１０４】
【数１５】
2019045216.tif 000018
両者を比較するため、水平移動の影響δＦと、傾きの影響δＭの比をαとすると、次のようになる。
【０１０５】
【数１６】
2019045216.tif 000019
【０１０６】
一般に、力覚センサ内の弾性体のサイズＬに対して、外力がかかる位置までの距離Ｐの方がずっと大きい。例えば、Ｌ＝１０ｍｍ、Ｐ＝１００ｍｍのように、具体的な数値を入れて考えると、上の比αは１５となる。
つまり、水平移動の影響よりも傾きの影響の方が１５倍も大きい。従って、先端の位置ずれを抑制するには、並進方向よりもモーメント剛性を高めることが重要である。
【０１０７】
モーメント剛性を高める簡便な方法は、弾性構造体の構造に工夫をすることである。そこで、図２６（ａ）に示すように、２本の弾性構造体の先端にハンド６０１を接続し、先端に水平方向の外力Ｆが加わる場合を考える。この場合、外力Ｆにより、図２６（ｂ）のように変形する。さきほどと同様、先端の変位δを、水平移動の影響δＦと、傾きの影響δＭに分けて考える。
δＦは、２本の弾性構造体に均等に力がかかると考えられるので、両端固定の弾性構造体の式を使って次式で計算できる。
【０１０８】
【数１７】
2019045216.tif 000020
弾性構造体の断面を矩形とし、断面２次モーメントＩを書き直すと、
【０１０９】
【数１８】
2019045216.tif 000021
一方、傾きの影響については、弾性構造体にかかる圧縮方向の力をＦ１、その変位をδ１として、次のように計算する。
弾性構造体の傾斜はδＭ／Ｐなので、弾性構造体の変位は、
【０１１０】
【数１９】
2019045216.tif 000022
弾性構造体の圧縮の式より、
【０１１１】
【数２０】
2019045216.tif 000023
この２つの式から、力Ｆ１が次のように求まる。
【０１１２】
【数２１】
2019045216.tif 000024
一方、弾性構造体にはＦＰのモーメントがかかるので、力の釣り合いから、
【０１１３】
【数２２】
2019045216.tif 000025
これに、先ほどのＦ１を代入して整理すると、
【０１１４】
【数２３】
2019045216.tif 000026
さきほどと同様、水平移動の影響δＦと、傾きの影響δＭの比をαとすると、
【０１１５】
【数２４】
2019045216.tif 000027
となる。
【０１１６】
具体的な数値を入れて考える。Ｌ＝１０ｍｍ、Ｐ＝１００ｍｍとし、弾性構造体の幅をＤ＝５０ｍｍ、厚さをｈ＝１ｍｍとすると、α＝０．０８となる。
さきほどのα＝１５と比較すると、約１８００分の１であり、桁違いに小さい。つまり、傾斜の影響が抑えられ、モーメント剛性が高いことがわかる。
以上説明してきたように、本実施形態は、弾性構造体の並進方向の剛性に対してモーメント剛性が高いことを利用している。
【０１１７】
次に、弾性構造体の本数を増やすと、このモーメント剛性をさらに改善し、性能を向上できることを示す。
図２７に示すように、間隔Ｄの間に設けたＮ本の弾性構造体であるＢ１〜ＢＮについて外力Ｆによる先端の変位を考える。
これまでの検討と同様に、変位は水平移動の影響δＦと、傾きの影響δＭに分けて考える。
δＦは、Ｎ本の弾性構造体に均等に力がかかると考えられるので、両端固定の弾性構造体の式を使って次式で計算できる。
【０１１８】
【数２５】
2019045216.tif 000028
弾性構造体の断面を矩形とし、断面２次モーメントＩを書きなおすと、
【０１１９】
【数２６】
2019045216.tif 000029
一方、傾きの影響については、第ｉ番目の弾性構造体にかかる圧縮方向の力をＦｉ、その変位をδｉとして、次のように計算する。
弾性構造体の傾斜はδＭ／Ｐなので、それぞれの弾性構造体の圧縮方向の変位は、
【０１２０】
【数２７】
2019045216.tif 000030
弾性構造体の圧縮の式より、
【０１２１】
【数２８】
2019045216.tif 000031
従って、第ｉ番目の弾性構造体にかかる圧縮方向の力Ｆｉが、次のように求まる。
【０１２２】
【数２９】
2019045216.tif 000032
外力により、弾性構造体にはＦＰのモーメントがかかるので、力の釣り合いから、
【０１２３】
【数３０】
2019045216.tif 000033
これに、先ほどのＦｉを代入すると、
【０１２４】
【数３１】
2019045216.tif 000034
【０１２５】
【数３２】
2019045216.tif 000035
となる。
【０１２６】
以上で、変位は水平移動の影響δＦと、傾きの影響δＭが求まった。次に、δＦが一定の条件で、δＦとδＭとの比を計算し評価する。
よく知られているように、水平移動δＦは弾性構造体の厚さｈの３乗に反比例して変位が増える。
そこで、Ｈを定数として、板厚ｈを次式のように定義する。
【０１２７】
【数３３】
2019045216.tif 000036
弾性構造体の本数がＮ本の時の両者の比であるα（Ｎ）＝δＭ／δＦを計算すると、
【０１２８】
【数３４】
2019045216.tif 000037
となる。
【０１２９】
図２８に、数式３４のグラフを示す。横軸は弾性構造体の本数Ｎである。縦軸は２本の弾性構造体の時を１に正規化して示した比、つまりα（Ｎ）／α（２）である。
弾性構造体の本数を増やすほど、α（Ｎ）が小さい。つまり、水平移動の影響δＦに対して、傾きの影響δＭが小さくなっており、モーメント剛性が高いといえる。
以上、弾性構造体の本数が多いほど、モーメント剛性を高めることができることを説明した。
また、弾性構造体の本数が多ければ、１本の弾性構造体の製作誤差の平均化が期待できるとともに、１本あたりの製造コストを低く抑える効果がある。
【０１３０】
ここまでは、水平方向の力について説明してきたが、垂直方向についても同じ考え方が適用できる。
図２９（ａ）に示すように、２段の弾性構造体の先端にハンド６０１を接続し、先端に水平方向の力と垂直方向の力が加わる場合を考える。ここでは、第１の弾性構造体を連結する部材を中間部材６０４と呼び、第２の弾性構造体を連結する部材を第２部材（作用部材）６０３と呼ぶ。
水平方向の外力がかかると、図２９（ｂ）のように変形するが、これまでと同じ理由により、弾性構造体によって傾斜の影響が抑えられる。
尚、２段の弾性構造体は異なる方向を向いて配置する必要がある。もし同じ方向なら１段の弾性構造体と同じなので、２段にした効果が十分に発揮されないからである。
【０１３１】
前述したように、積層造形法ではオーバーハング角に制限があるため、水平な弾性構造体を製作することができない。そこで弾性構造体を傾け、傾斜２段弾性構造体構造とする。
図３０に、この構造を示すが、本実施形態における弾性体の構造を模式的に表している。ロボットアームに固定する第１部材（台座部材）６０２と、ロボットハンドに固定する第２部材（作用部材）６０３、中間部材６０４を設け、その間を第１の弾性構造体６０５と、第２の弾性構造体６０６で連結する。第１の弾性構造体６０５は、第１部材６０２の外面のうち第１の弾性構造体と連結する面からの法線方向に対して傾くように配置されている。また、第２の弾性構造体６０６は、第２部材６０３の外面のうち第２の弾性構造体と連結する面からの法線方向に対して傾くように配置されている。
【０１３２】
第１部材（台座部材）６０２、第２部材（作用部材）６０３、中間部材６０４については、弾性構造体６０５、６０６よりも硬くなければならない。そうしないと、弾性構造体の効果が減殺され、モーメント剛性が下がってしまうからである。つまり、第１部材（台座部材）６０２、第２部材（作用部材）６０３、中間部材６０４は、弾性構造体６０５、６０６よりも硬くなるように、十分大きな厚さや幅になるように設計する。
以上説明した傾斜２段弾性構造体により、積層造形可能で、モーメント剛性の高い力覚センサを実現できる。
【０１３３】
尚、図３０では、図示の便宜のため非等縮尺で示したため第１部材６０２と第２部材６０３の距離が比較的大きく見えるが、この距離は、第１部材と中間部材の距離、および第２部材と中間部材の距離よりも小さい。
【０１３４】
さらに、力覚センサの弾性体の剛性は方向によって変わらないのが望ましい。力覚センサの測定感度が、方向によって変化してしまうことを防止するためである。そこで円周状に弾性構造体を配置し、剛性が方向に依存しない構造を実現する。
【０１３５】
図３１（ａ）に、円周に沿って配置した傾斜２段弾性構造体の弾性体６０７の分解図を、図３１（ｂ）に弾性体６０７の完成図を示す。
ロボットアームに固定する第１部材（台座部材）６０２と、ロボットハンドに固定する第２部材（作用部材）６０３、中間部材６０４を設け、その間を第１の弾性構造体６０５と、第２の弾性構造体６０６で連結する。
【０１３６】
この構成によれば、垂直軸まわりに対称なので、方向によらず一定の剛性が得られる。この時、弾性体６０７が３回以上の回転対称性を持つことが重要である。そうでないと方向によって剛性が変化する。
【０１３７】
また、図３１（ａ）において、第１の弾性構造体６０５が設置される方向と第２の弾性構造体６０６が設置される方向は、異なる方向でなければならない。もし同じ方向なら、１段の弾性構造体を用いる場合に比べて、大きな効果上の差異が期待できないからである。
【０１３８】
この条件を数式で表現すると、第１の弾性構造体６０５の方向ベクトルｅａと、第２の弾性構造体６０６の方向ベクトルｅｂは、センサの円周方向ｅｒに対する内積の符号が異なることから、次のように表現できる。
【０１３９】
【数３５】
2019045216.tif 000038
【０１４０】
以上のように、本実施形態によれば、２段の弾性構造体を採用することにより、力覚センサにとって重要な高いモーメント剛性を実現できる。その際に、弾性構造体の本数は多い方が、モーメント剛性を高めることができる。また、弾性構造体を傾斜させることにより、積層造形法で製作することができる。また、弾性構造体を円周状に配置することにより、方向に依存しない剛性を実現できる。
【０１４１】
このことを踏まえ、弾性構造体のサイズ、本数を、シミュレーションにより求める方法の一例について説明する。
図２１（ａ）に示すのは、弾性体のＦＥＭモデルである。このモデルの概要を次に示す。
第１部材：外形Φ５６．０ｍｍ、幅２．０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ
中間部材：外形Φ４７．０ｍｍ、幅３．０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ
第２部材：外形Φ４８．０ｍｍ、幅２．０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ
弾性構造体：７２本、幅１．０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、傾斜角度３９度
材質：ステンレス
次に、第１部材を固定し、第２部材に力やモーメントをかけた時の第２部材の変位を計算する。
【０１４２】
図２１（ｂ）に、Ｙ方向の外力Ｆｙをかけた時の変形を示す。図２１（ｃ）に、Ｚ方向の外力Ｆｚをかけた時の変形を示す。図２１（ｄ）に、Ｙ方向のモーメント力Ｍｙをかけた時の変形を示す。図２１（ｅ）に、Ｚ方向のモーメント力Ｍｚをかけた時の変形を示す。
【０１４３】
Ｘ方向については、対称性から考えてＹ方向と同じ結果になるので、説明を省略する。６次元の力のベクトルをＦ、変形のベクトルをδ、コンプライアンス行列をＣとし、変形シミュレーションの計算結果を次に示す。
【０１４４】
【数３６】
2019045216.tif 000039
【０１４５】
【数３７】
2019045216.tif 000040
ここで、Ｆの単位は、ＮとＮｍである。δの単位は、ｍとｒａｄである。
【０１４６】
１００ｍｍ離れた位置に、１Ｎの力をかけた場合を考える。このとき、力覚センサにかかる回転モーメントは、０．１Ｎｍである。上記コンプライアンス行列から、水平移動の影響δＦ、傾きの影響δＭ、および両者の比αは次のようになる。
【０１４７】
【数３８】
2019045216.tif 000041
αは、０．２６と小さい。この結果から、傾きの影響が小さく、高いモーメント剛性を実現できていることがわかる。また、αが小さい理由は、弾性構造体の効果が現れているからである。
【０１４８】
次に、本実施形態に係る力覚センサの製造方法を説明する。前述したように、本実施形態による力覚センサはオーバーハング角が小さいため、積層造形法による製造が可能である。
図２２（ａ）は、積層造形装置に取り付ける造形ユニット６２０を説明するための分解図で、図２２（ｂ）は、造形ユニット６２０の組立て図である。
【０１４９】
ロボットアームに固定する第１部材６０２と、ロボットハンドに固定する第２部材６０３は、リング状の部品である。旋盤などであらかじめ形を製作し、造形プレート６２１にねじ止めする。この時、造形ユニットの最上面が、第１部材６０２と、第２部材６０３の上面になるように設計しておくことが肝要である。すなわち、第１部材の外面のうち第１の弾性構造体と連結する面と、第２部材の外面のうち第２の弾性構造体と連結する面は、平行になるようにする。積層造形装置は、第１部材および第２部材の最上面から造形を開始するからである。この造形ユニット６２０の上に、積層造形装置を用いて第１の弾性構造体６０５、第２の弾性構造体６０６、および中間部材６０４を造形する。造形材料の粉体を積層し、第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材の形状に応じてレーザ光を照射して、第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材を造形する。
【０１５０】
図２３（ａ）は、造形ユニット６２０の上に積層造形した直後の図である。造形プレートの固定ねじを外すと、図２３（ｂ）に示すように弾性体６０７を造形プレートから脱着できる。すなわち、第１部材と、第２部材を造形プレートに対して脱着可能に位置決め固定し、第１部材と第２部材の上面に、造形材料の層を積み重ねて第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材を造形する。そして、第１部材と第２部材と第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材が一体化した３次元造形物を形成した後に、３次元造形物を造形プレートから脱着する。
【０１５１】
以上のように、本実施形態によれば、積層造形法で製作する事が可能であり、製作コストを低減できる。また、従来の積層造形法と比べると、次の点で製造コストを下げることが可能である。
第一に、造形物を切り出す加工が不要である。従来はワイヤカットなどの機械加工により造形物を切り離していたが、本発明によれば、ねじを外すだけで脱着するので工程が簡易化されコストを低減できる。
【０１５２】
第二に、造形後の機械加工が必要最小限で済む。従来は、三次元造形物のうち高い精度が必要な部分は、造形後に機械加工する必要があった。造形後に機械加工を行うと、被加工物が複雑な形状をしているので、加工用の専用治具が必要となりコストがかかっていた。本実施形態によれば、精度が必要な第１部材と第２部材をあらかじめ準備し、この部分については積層造形をしていないため追加の機械加工は不要であり、コストを低減できる。
【０１５３】
第三に、造形材料の量を減らすことができる。積層造形法で使用する造形材料は、一般に高価である。本実施形態によれば、弾性構造体の全体を積層造形するのではなく、弾性体６０７の一部だけを造形するので、造形材料の量を減らすことができ、コストを抑制することができる。より具体的には、中間部材６０４、第１の弾性構造体６０５、第２の弾性構造体６０６だけを積層造形し、第１部材１と第２部材２は積層造形しないため、高価な造形材料を節約できる。
【０１５４】
第四に、本実施形態によれば、造形プレートを繰り返し使用することが可能である。造形プレートの上に積層した造形材をレーザ焼結する積層造形法では、造形後には、レーザ照射によって造形プレートの表面が溶融するので、次の造形には使えない。本実施形態によれば、造形プレートにはレーザが当たらないので劣化することがなく、何度も使えるので、弾性構造体の製造コストを低減することが可能である。
【０１５５】
また、積層造形法によれば複雑な形状も作成できるため、弾性構造体の本数を増やし、モーメント剛性をさらに向上させることが容易に可能である。また、たとえ製造誤差が生じることがあったとしても、弾性構造体の本数が多いので、１本の弾性構造体の製作誤差は平均化され、影響は少ない。
尚、本実施形態では積層造形法により製造する方法について述べたが、これに限ることはなく、場合によっては、機械加工のみによって製造してもよい。
【０１５６】
また、本実施形態では弾性構造体の断面を矩形として説明したが、矩形に限定されるものではない。例えば、角を丸めた矩形や、楕円を採用することも可能である。
【０１５７】
（第二の実施形態の変形例１）
次に、第二の実施形態の変形例を示すが、具体的には、弾性構造体が湾曲している点が異なる。
図２４において、力覚センサの弾性体６０７は、ロボットアームに固定する第１部材６０２と、ロボットハンドに固定する第２部材６０３、および中間部材６０４を有する。第１部材６０２と中間部材６０４の間を第１の弾性構造体６０５を介して連結し、第２部材６０３と中間部材６０４の間を第２の弾性構造体６０６を介して連結する。
【０１５８】
第１部材と第２部材は同一の平面に沿うよう配置され、中間部材は、該平面に投影したときに射影の少なくとも一部が第１部材と第２部材の間隙部と重なるように、該平面から離れて配置されている。
【０１５９】
第１の弾性構造体６０５は外側に湾曲しており、第２の弾性構造体６０６は内側に湾曲している。すなわち、第２部材は第１部材と同心に配置され、第１部材よりも半径が小さな環状の部材であり、第１の弾性構造体は中心から離れる方向に凸になるよう湾曲した形状を有し、第２の弾性構造体は中心に向かう方向に凸になるよう湾曲した形状を有する。
【０１６０】
これらの弾性構造体が湾曲しない直線の場合には、弾性構造体の本数を増やすと、第１の弾性構造体と第２の弾性構造体が重なり合う。つまり、第１の弾性構造体と第２の弾性構造体の梁は、一方が外側から内側に向かい、もう一方が内側から外側に向かうので、梁の本数を増やして密度を上げていくと、両方の梁はちょうど中間付近で接触してしまうようになる。従って梁の本数には、それ以上増やせない限界がある。
【０１６１】
しかし、本実施形態のように湾曲していれば、重なり合うのを回避する事ができるため、弾性構造体の本数をさらに増やすことができる。本実施形態によれば、弾性構造体の本数を増やすことができるため、より高いモーメント剛性を実現できる。
【０１６２】
（第二の実施形態の変形例２）
また、第二の実施形態の変形例２として、磁気式センサの代わりに光センサを変位検出手段として用いてもよい。
図５３、図５４に光センサの例を示す。これは、例えば特開平４−１３０２２０に記載されているセンサと類似のものである。レーザ光源１００１から出射した光線は、コリメータレンズ１００２で平行光線となり、偏光ビームスプリッタ１０１７、波長板１００５を通過し、第１の回折格子１１０１に入射し、１次回折光として２つに分割される。回折光は、第２の反射型回折格子１１０２に入射し、反射した回折光が再び回折格子１１０１を透過し干渉する。この干渉光の明暗を、受光手段１００８で検出する。図示してないが、受光手段１００８を２つ設けて干渉光の位相も測定することにより移動方向を知る技術も、例えば特開昭６３−３１１１２１により公知である。
【０１６３】
このような構成による光センサの模式図を、図５５に示す。図中、Ａ１００は、光学部と電気回路を集積して一体化した回路部である。回路部Ａ１００には、電気信号を取り出すための電極が設けられている。回折格子を有するスケールＡ１０１は、回路部Ａ１００と一定の隙間をあけて保持され、回折格子の刻まれるＡ１０２方向の相対変位を測定することができる。
【０１６４】
以上説明したように、第二の実施形態およびその変形例によれば、検出精度が高く、コンパクトで製造コストが低廉な力覚センサを提供することができる。
【０１６５】
（第三の実施形態）
第三の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１のロボットシステムにおいて、第一の実施形態では回転関節Ｊ１〜Ｊ６に取り付けられるトルクセンサの例を示し、第二の実施形態ではロボットアームとロボットハンド２１０の間の手首部に配置される力覚センサ２０７について説明した。本実施形態では、把持物にかかる力を検出するための指先力センサ２２０ａ、指先力センサ２２０ｂについて説明する。本実施形態に係る力センサを、本明細書では指先力センサと称する場合がある。
【０１６６】
図１に示した６軸多関節ロボット装置１００のロボットハンド２１０は、駆動可能な複数の指を有する。図示したハンドは２本の指を備えるが、３本以上の指があるハンドであっても、本実施形態の指先力センサを用いることができる。それぞれの指には、本実施形態の指先力センサ２２０ａおよび指先力センサ２２０ｂを介して、指２３０ａと指２３０ｂが取付けられている。
このロボットハンド２１０で部品を把持し、組立て作業を行う時には、把持物にかかる力を指先力センサ２２０ａと指先力センサ２２０ｂで検出する。この測定値に基づき、制御装置１０１で関節Ｊ１〜Ｊ６を制御する。
【０１６７】
例えば、部品を平板に突き当てる作業工程では、指先力センサの測定値があらかじめ定めた力になるまで、ロボット関節を制御して部品を平板に接近させる。これは、指先にかかる力に応じて組立ロボットの動作を制御するには必須の機能である。ロボットの手首部に力覚センサを設け、同様の機能を行う方法も知られているが、指先力センサの方が、慣性が小さいので応答が速いという利点がある。
【０１６８】
また、指先力センサを活用する別の例として、部品を把持する作業工程が挙げられる。把持工程では、指先力センサの測定値が、あらかじめ定めた力になるまで指を接近させる。これは、やわらかい部品を、小さい変形に抑えつつ把持して組み立てる組立てロボットには必須の機能であり、例えば薄いプラスチック製のリングを取り扱う場合には、１Ｎ程度の小さい力で把持する必要がある。
【０１６９】
本実施形態の指先力センサの構成を、図３２、図３３、および図３４に示す。それぞれ図３２は指先力センサの分解図、図３３は斜視図、図３４は断面図である。
第１部材７０１を、不図示の指の駆動部に固定して設け、第２部材７０２と、中間部材７０４を設ける。第１の弾性構造体７０５を用いて、第１部材７０１と中間部材７０４を連結する。本実施形態では、第１の弾性構造体は片側につき６本の弾性構造体が２列、合計１２本の弾性構造体で構成した例を示しているが、本数と列数はこれに限られるものではない。
【０１７０】
また、第２の弾性構造体７０６を用いて、第２部材７０２と中間部材７０４を連結する。この実施形態では、第２の弾性構造体は、片側につき５本の弾性構造体が２列と中央部３本、合計１３本の弾性構造体で構成する例を示しているが、本数と配置はこれに限られるものではない。
【０１７１】
第１部材７０１、第２部材７０２、中間部材７０４、第１の弾性構造体７０５、第２の弾性構造体７０６で、弾性体を構成する。弾性体は、後述するように、その一部が積層造形法で形成された一体の部品である。
【０１７２】
第１部材と第２部材は同一の平面に沿うよう配置され、中間部材は、該平面に投影したときに射影の少なくとも一部が第１部材と第２部材の間隙部と重なるように、該平面から離れて配置されている。
【０１７３】
第２部材７０２には、指７３０をネジ７１２で固定する。指は、ロボットハンドが組み立てる対象物の形に合わせて、適宜の形状のものを用いる。
第１部材７０１には、変位検出手段を構成するセンサ基板７０９をネジ７１３で固定する。第２部材７０２には、変位検出手段を構成する磁石７０８を固定する。この変位検出手段は、磁石を有する磁気式の変位計であってもよいし、後述するように光学式の変位計であってもよい。
【０１７４】
本実施形態は、第１部材、第２部材、中間部材の３つの部材のうち、相対距離が最も短い第１部材と第２部材の変位を検出するので、高感度を実現する上で最も有利な構成である。つまり、図３４に示すように、前記第１部材と前記第２部材の距離は、前記中間部材と前記第１部材の距離、および前記中間部材と前記第２部材の距離よりも短い。この構成の場合には、検出手段を取り付けるための部品サイズが小さくてすむ。この部品の寸法変化や振動は測定値に影響するので、サイズを小さくすることは重要である。
【０１７５】
第１部材と第２部材の隙間は、具体的には１０μｍから１０ｍｍまでの範囲が好ましい。本実施形態の指先力センサでは、第１部材と第２部材は弾性体の変形により、相対位置が変化する。従って、第１部材と第２部材の接触を防止するために、隙間は弾性体の最大変形量よりも大きくなければならない。弾性体の剛性は一般に高いほうが好ましいが、その反面、検出手段に高い測定感度が要求されてしまう。そこで、現実的には、隙間の下限は１０μｍ程度にするのが好ましい。機械部品の加工精度を考えても、やはり下限を１０μｍとするのが妥当である。一方、隙間の上限はセンサのサイズに影響するが、ロボットハンドの指近傍への搭載を考えると、１０ｍｍ程度が妥当である。
【０１７６】
磁気式の変位計を用いる場合は、磁石７０８が動くと、その周囲の磁力線も動く。その磁力線の動きをセンサ基板７０９に設けた複数のホール素子、もしくは磁気抵抗素子で検出する。この方法で、磁石７０８のＸＹＺの３方向の動きを検出できる。この検出信号δｘ、δｙ、δｚを、図３２の制御基板７１１に入力し、ＸＹＺの３方向の指先力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、を出力する。この変換は次式で行う。
【０１７７】
【数３９】
2019045216.tif 000042
【０１７８】
ここで、［Ｋ］は剛性行列であり、あらかじめ求める定数である。この行列は、指先に３方向の力をかけて実測することが可能である。また、後述するようにＦＥＭを用いて計算で求めることも可能である。
【０１７９】
次に、本実施形態の弾性体は、積層造形法で製作可能な事を説明する。前述したように、積層造形法ではオーバーハング角に限界があり、特に水平天井は造形が困難である。
図３５に、オーバーハング角に着目した本実施形態の弾性体の模式図を示す。第１部材７０１と中間部材７０４を第１の弾性構造体７０５で連結する。オーバーハングが懸念される部分は図中、Ｓ１とＳ２部である。このオーバーハングが、前述した制限値以内になるように、弾性構造体の間隔Ｂと、縦方向の寸法Ｃを設計する必要がある。この模式図によれば、次のような条件である。
【０１８０】
【数４０】
2019045216.tif 000043
【０１８１】
寸法Ｃを小さくして指先力センサを薄型にするためには、弾性構造体の間隔ピッチＢを狭く、すなわち、弾性構造体の数が多いほうが好ましい。弾性構造体の数を増やすことは、前述したように、指先力センサの剛性比を向上するためにも役に立つ。本実施形態の弾性体は、弾性構造体の数を増やすことによって、剛性比を改善し、オーバーハング角を抑え、積層造形可能である。
【０１８２】
次に、より具体的な設計例として、ＦＥＭシミュレーション結果を説明する。
まず、本実施形態の考え方について説明する。本明細書の数式で扱う主な記号の定義は、以下のとおりである。
Ｌ：弾性構造体の長さ
Ｅ：弾性構造体の縦弾性係数
Ｉ：弾性構造体の断面２次モーメント
厚さｈ、幅ｂの矩形断面の場合、  Ｉ＝ｂｈ３／１２
Ｐ：弾性構造体にかかる曲げ方向の力
Ｗ：弾性構造体にかかる軸方向の力
Ｆ、Ｍ：力とモーメント
δ，θ：変位と回転角
Ｈｘ、Ｈｙ：弾性構造体のｘ、ｙ方向の厚さ
Ｌｘ、Ｌｙ：弾性構造体列のｘ、ｙ方向の長さ
Ｎｘ、Ｎｙ：弾性構造体列のｘ、ｙ方向の数
Ｃ０：センサ座標系
指先力センサは弾性体と変位測定手段から構成されているので、力学的な性能は弾性体で決まる。そこでまず、材料力学の観点から弾性体の剛性を明らかにする。
【０１８３】
図３６（ａ）に示すように、点Ａから放射状に伸びる方向に沿って配置した２本の弾性構造体を検討する。弾性構造体の中心に座標系Ｃ０を設定し、その原点と点Ａまでの距離をＬＡとする。２本の弾性構造体の間隔をＬｘとする。また、点Ａまでの距離をＬｐ、傾斜角度をηとする。
すなわち、
【０１８４】
【数４１】
2019045216.tif 000044
である。
【０１８５】
力の表記法に関し、図３６（ｂ）に示すように、点Ａにかかる力Ｆと回転モーメントＭの左肩に点を表す記号、Ａをつけて区別する。弾性構造体にかかる力は軸方向の力をＷ、曲げ方向の力をＰと表記する。
変位の表記法に関し、図３６（ｃ）に示すように、点Ａの変位δと回転角θの表記にも左肩に点を表す記号、記号の「Ａ」をつけて区別する。弾性構造体の変位は軸方向をδｗ、曲げ方向をδｐなどと表記する。
【０１８６】
図３６（ｂ）において、点Ａにかかる力ＡＦｘ、ＡＦｚとモーメント力ＡＭｙを考える。これらを、２つの弾性構造体にかかる軸方向の力Ｗ１、Ｗ２と曲げ方向の力Ｐ１、Ｐ２に分けて力のつりあいを考え次式を得る。
【０１８７】
【数４２】
2019045216.tif 000045
弾性構造体の軸方向の変形δｗと曲げ方向の変形δｐに関して、材料力学の公式から次式を得る。
【０１８８】
【数４３】
2019045216.tif 000046
ここで、Ｅはヤング率、Ｉは断面２次モーメント、Ａは断面積、Ｌは弾性構造体の長さである。
図３６（ｃ）において、点Ａの並進移動量Ａδｘ、Ａδｚと回転角、Ａθｙについては、幾何学的な関係より次式を得る。
【０１８９】
【数４４】
2019045216.tif 000047
数式４２〜数式４４をまとめ、点Ａにかかる力と変位の関係、すなわち剛性行列を計算すると次式を得る。
【０１９０】
【数４５】
2019045216.tif 000048
一方、図３７に示す平行配置した弾性構造体についても同様に計算すると、点Ａにかかる力と変位の関係は次式となる。
【０１９１】
【数４６】
2019045216.tif 000049
以上、計算した放射状配置と平行配置の弾性構造体の剛性を、次表にまとめる。
【０１９２】
【表２】
2019045216.tif 000050
【０１９３】
弾性構造体の剛性は、軸方向のほうが曲げ方向よりも強いことが知られている。
表２において、軸方向の剛性に関する断面積Ａを含む項に着目すると、放射状配置は平行配置に対して、水平方向の剛性Ｋｘが高いことがわかる。
【０１９４】
次に、具体的な数字を入れて説明する。指先力センサのサイズを左右する弾性構造体の間隔をＬｘ＝２０ｍｍとし、センサから点Ａまでの距離をＬＡ＝３０ｍｍとする。弾性構造体のヤング率をＥ＝２００ＧＰａ、弾性構造体の幅と厚さを１ｍｍ、長さをＬ＝１０ｍｍとする。この時、放射状配置の弾性構造体の傾斜角は、η＝１８．４度となり、剛性は次表のように計算できる。
【０１９５】
【表３】
2019045216.tif 000051
【０１９６】
表３の水平方向の剛性Ｋｘに着目すると、放射状配置は平行配置に対して１０倍以上高い。指先力センサは、指先にかかる力による弾性体の変形を検出するセンサである。剛性が高いと弾性体の変形も小さくなり、センサの感度が低下してしまう。
上表で説明したように、水平方向の剛性Ｋｘは平行配置により軽減できるが、垂直方向の剛性Ｋｚは依然として高い。
【０１９７】
そこで、本実施形態では、図３８に示すように、弾性構造体を２段に構成する。すなわち、第１部材７０１、第２部材７０２、中間部材７０４を設け、第１の弾性構造体７０５で第１部材７０１と中間部材７０４を連結し、第２の弾性構造体７０６で第２部材７０２と中間部材７０４を連結する。第１部材は、図示しない指の移動部材に固定し、第２部材７０２は指７３０に固定する。
このような構成によれば、ＸＹＺの３軸とも弾性構造体の曲げ方向と一致させることができて、剛性を低く設計することができる。
【０１９８】
第１の弾性構造体７０５と第２の弾性構造体７０６は、方向が異なることが重要である。同じ方向の場合には１段の弾性構造体と同じことになり、水平と垂直方向の剛性の差が大きくなってしまう。弾性構造体の方向は、以下に説明するように９０度異なる場合が最も効果的である。
【０１９９】
図３９に、水平と垂直方向の剛性ＫｘとＫｚを組合せ、角度θで接続した弾性体の模式図を示す。
この構造のＸ、Ｙ方向の変位は直列ばねになるので、次のように計算できる。
【０２００】
【数４７】
2019045216.tif 000052
また、前述したように、ＫｚはＫｘより十分大きいので、数式４７は次のように単純化できる。
【０２０１】
【数４８】
2019045216.tif 000053
上式から、弾性体全体のＸとＺの２方向の剛性の比Ｒｘｚは次のようになる。
【０２０２】
【数４９】
2019045216.tif 000054
【０２０３】
図４０に、数式４９の剛性の比Ｒｚｘと角度θの関係をグラフにして示す。
指先力センサは、ＸＹＺの３軸方向とも同じ感度を持つことが好ましいが、剛性の比は角度が９０度の場合に最良の１となる。この感度比の実用的な限界を約０．１とすると、角度として２５度以上が必要なことがわかる。
【０２０４】
また、材料力学によると、曲げ剛性は弾性構造体の長さＬの３乗に反比例する。従って、長さＬは長いほうが有利である。さらに、弾性構造体にかかる応力も下げることができる。しかし、Ｌを長くすると指先センサが厚くなってしまう。
【０２０５】
そこで、図４１に示すように、傾斜させて２段の弾性構造体構造を配置する。図に示すように同じ弾性構造体の長さＬでも４５度傾斜させることにより、センサの厚さを約０．７倍に抑えることが可能である。第１の弾性構造体は、第１部材の外面のうち第１の弾性構造体と連結する面からの法線方向に対して傾くように配置されている。また、第２の弾性構造体は、第２部材の外面のうち第２の弾性構造体と連結する面からの法線方向に対して傾くように配置されている。
【０２０６】
尚、図４１では、図示の便宜のため非等縮尺で示したため第１部材７０１と第２部材７０２の距離が比較的大きく見えるが、この距離は、第１部材と中間部材の距離、および第２部材と中間部材の距離よりも小さい。
【０２０７】
さらに、図４１を図３６と比較すると、第２の弾性構造体７０６の間隔Ｌ’についても厚さ方向に間隔をあけて配置しなくても良くなるので、さらに薄いセンサを実現できる。
また、これまで平面図で本実施形態を説明したが、紙面に垂直な方向も考慮すると、２段の弾性構造体はそれぞれがＸＹ格子状に配列した４本以上の弾性構造体の集合である。
【０２０８】
図４２（ａ）は、本実施形形態の構造を説明するための分解図で、図４２（ｂ）は完成体の斜視図である。
同図において、第１部材７０１、第２部材７０２、中間部材７０４を設け、４本以上の弾性構造体から構成される第１の弾性構造体７０５で第１部材７０１と中間部材７０４を連結する。また、４本以上の弾性構造体から構成される第２の弾性構造体７０６で第２部材７０２と中間部材７０４を連結する。第１部材は、図示しない指の移動部材に固定し、第２部材７０２は指７３０に固定する。
【０２０９】
次に、ＸＹ格子状に２次元配置した４本以上の弾性構造体構造について、力学的な特性を明らかする。そして、弾性構造体の本数が多いほうが、性能の高い指先力センサを構成できることを明らかにする。
図４３を用いて説明する。説明のため指先力センサの中心に座標系Ｃ０を設定し、外力のかかる作用点に座標系Ｃ１を設定する。
【０２１０】
図中のＣ０座標系において、ＸＹ格子状に配列した弾性構造体のうち、第ｉ行、ｊ列の弾性構造体１本の変形を考える。両端の回転を拘束した矩形断面の弾性構造体のＸＹ方向の曲げ変形δｐｘ、δｐｙとＺ方向の変形δｐｚは、ＸＹＺ方向の力Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚと次の関係にある。
【０２１１】
【数５０】
2019045216.tif 000055
【０２１２】
【数５１】
2019045216.tif 000056
【０２１３】
【数５２】
2019045216.tif 000057
【０２１４】
ここで、Ｈｘ、Ｈｙは、ＸＹ方向の弾性構造体の厚さである。この弾性構造体が、Ｘ方向にＮｘ本、Ｙ方向にＮｙ本配列した場合の変形を計算する。並進方向の剛性は、上記の弾性構造体を並列接続するので、次のように書ける。
【０２１５】
【数５３】
2019045216.tif 000058
【０２１６】
【数５４】
2019045216.tif 000059
【０２１７】
【数５５】
2019045216.tif 000060
Ｘ軸まわりのモーメントＭｘに対する回転角をθｘと表記すると、原点からＬｙ（（ｊ−１）／（Ｎｙ−１）＋１／２）離れた位置のばねを並列接続するので、
【０２１８】
【数５６】
2019045216.tif 000061
Ｙ軸まわりのモーメントＭｙに対する回転角θｙについても同様に表現できる。
【０２１９】
【数５７】
2019045216.tif 000062
【０２２０】
以上、指先力センサの座標Ｃ０における、弾性体の剛性を示した。この時、並進方向の剛性は弱い方が、高感度な指先力センサを実現できることを述べた。しかし、回転剛性については強いほうが好ましい。指先にかかる力によって指先の位置が大きくずれてしまっては、組立てなどの高精度な作業に支障がでるからである。
そこで、回転剛性と並進剛性との比を考える。この比が大きいほうが、より高性能な指先力センサを構成することができる。
Ｘ方向について回転方向と並進方向との剛性比αを計算すると、
【０２２１】
【数５８】
2019045216.tif 000063
【０２２２】
ここで、並進方向の剛性は指先力センサの感度を決める設計値なので、弾性構造体の本数Ｎｘを変更しても並進方向の剛性が変わらないように、Ｂｘを定数とし、弾性構造体の厚さをＨｘ＝Ｂｘ（Ｎｘ）ー１／３、と定義すると、剛性比αは、
【０２２３】
【数５９】
2019045216.tif 000064
となる。
【０２２４】
図４４に、弾性構造体の本数Ｎｘ＝２の値で正規化し、弾性構造体の本数とαの関係をプロットしたグラフを示す。
縦軸の１は、弾性構造体の本数が２本の剛性比と同じであることを表す。弾性構造体が６本以下なら、２本の場合が最も優れた剛性比となるが、本数を７本以上に増やせば、２本より優れた剛性比となる。
【０２２５】
以上のように、本実施形態によれば、指先力に対して高感度で、薄い指先力センサを構成できる。さらに、弾性構造体の数を増やすことにより、モーメント剛性の高いセンサを構成できることを説明した。
【０２２６】
また、前述したように、積層造形法ではオーバーハング角に制限があるため、水平な天井面を製作することが困難である。本実施形態によれば、弾性構造体を多数化し、弾性構造体と弾性構造体の間を傾斜面で接続することにより、オーバーハング角を制限内に抑えることができ、積層造形可能である。また、形状精度が高い部品の上に積層造形することにより、製作する時の製造コストを、さらに下げる効果がある。
また、以下に説明するように、指先の変位を拡大して検出できるので、より高感度な指先力センサを実現できる。
【０２２７】
図４５に、指先位置とセンサ位置も考慮した放射状配置の弾性構造体の模式図を示す。点Ａは２本の弾性構造体の方向を決める目標点、点Ｂは指先の位置で、この点に指先力がかかる。点Ｃはセンサの位置で、この点の変位を検出する。点Ａの変位と点Ａの力の関係は数式４５に示したが、ここでは点Ｃの変位と点Ｂの力との関係を示す。
点Ｂは、指先が物品から受ける力がかかる位置である。点Ａにかる力を点Ｂに座標変換する式は次のように書ける。
【０２２８】
【数６０】
2019045216.tif 000065
また、点Ｃは、弾性体の変形を測定するセンサを配置する位置である。点Ｃの変位を点Ａに座標変換する式は、次のように書ける。
【０２２９】
【数６１】
2019045216.tif 000066
【０２３０】
これらと、数式４５から、指先（点Ｂ）にかける力に対するセンサの位置（点Ｃ）の変位を計算できる。指先力センサに関係する力の成分だけ示すと、次のようになる。
【０２３１】
【数６２】
2019045216.tif 000067
【０２３２】
上式の係数は、この指先センサの感度行列である。力をかける点Ｂの位置ＬＢを変えると、上式から１行１列の項、すなわちＸ方向の感度Ｓｘが影響を受けることがわかる。
この項に着目する。
【０２３３】
【数６３】
2019045216.tif 000068
右辺第１項の括弧部分の符号を考える。弾性構造体を、幅ｂで厚さｈの矩形断面とすると、この部分は次のようになる。
【０２３４】
【数６４】
2019045216.tif 000069
【０２３５】
弾性構造体は、通常は厚さｈより長さＬのほうが大きいので、上式は正である。従って、感度ＳＸは、ＬＢが正ならばＬＢがゼロの場合より必ず大きくなり、センサ感度が向上する。
言い換えると、力のかかる指先の点Ｂより遠い位置に放射状弾性構造体の中心である点Ａを配置することにより、センサ感度を向上させることができる。
【０２３６】
例えば、指先力センサのサイズを左右する弾性構造体の間隔をＬｘ＝２０ｍｍとし、弾性構造体のヤング率をＥ＝２００ＧＰａ、弾性構造体の幅と厚さを１ｍｍ、長さをＬ＝１０ｍｍとする。変位センサから力をかける指先までの距離を、一定値ＬＡ−ＬＢ＝３０ｍｍとする。
【０２３７】
図４６に、放射状配置の弾性構造体の中心点までの距離ＬＡとＬＢとの比を横軸とし、数式６３の感度Ｓｘを、ＬＢ＝０の時の値で正規化してプロットしたグラフを示す。図中、ＰはＬＡ＝３０ｍｍ、すなわち、ＬＢ＝０の場合を表し、縦軸の値は１である。
図からわかるように、弾性構造体の中心点ＬＡが３０ｍｍより長い場合、感度比が１よりも大きく、良好である。
以上説明したように、弾性構造体の中心点を指先より遠方に配置することにより、高感度な指先力センサを構成できる。
【０２３８】
図４７（ａ）は、シミュレーションに用いた弾性体のＦＥＭモデルである。このモデルは、図３２〜３４を参照して説明した構造と同じである。主な特徴は、第一に弾性構造体の幅が厚さより大きいこと、第二に第１の弾性構造体７０５は片側に６本、全部で１２本あること、第三に第２の弾性構造体７０５は片側に５本、中央部に３本、全部で１３本あることである。
上記、弾性構造体の幅、厚さ、長さ、および弾性構造体の本数などは、本実施形態の指先力センサの設計パラメータである。この設計パラメータを決定するのが、ＦＥＭシミュレーションの目的である。
【０２３９】
図４７（ｂ）は、指先にＦｘ＝３０Ｎの力をかけたときの変形計算結果である。この図は変形を見やすいように誇張して描画されている。図４７（ｃ）は、指先にＦｙ＝３０Ｎの力をかけたときの変形計算結果である。図４７（ｄ）は、指先にＦｚ＝３０Ｎの力をかけたときの変形計算結果である。
前述したように、弾性体の変形を検出する変位検出手段は、磁石７０８の位置を測定する。ＦＥＭ計算で得られた磁石の位置変化を、次表にまとめる。
【０２４０】
【表４】
2019045216.tif 000070
上表に示したように、この設計例では最も感度が高いのはＹ方向であった。
この結果を行列で表現すると、
【０２４１】
【数６５】
2019045216.tif 000071
この式から、数式３９にあたる変位検出手段の出力から指先力を計算する式を求めると、
【０２４２】
【数６６】
2019045216.tif 000072
となる。
以上のＦＥＭ変形シミュレーションを繰り返し行い、所望の感度が得られるように弾性構造体の幅や厚さなどの設計パラメータを決定する。
【０２４３】
次に、本発明による力覚センサの製造方法を説明する。前述したように、本実施形態に係る指先力センサは、オーバーハング角が小さいため、積層造形法による製造が可能である。
図４８（ａ）は、積層造形装置に取り付ける造形ユニット７２０を説明のために分解して示した図で、図４８（ｂ）は造形ユニット７２０の完成図である。
【０２４４】
第１部材７０１と第２部材７０２は、フライス盤などで製作した高精度な部品であり、造形プレート７２１にねじ止めし、造形ユニット７２０を完成させる。この時、造形ユニット７２０の最上面が、第１部材７０１と第２部材７０２の上面になるように設計しておくことが肝要である。すなわち、第１部材の外面のうち第１の弾性構造体と連結する面と、第２部材の外面のうち第２の弾性構造体と連結する面は、平行になるようにする。積層造形装置は、第１部材および第２部材の最上面から造形を開始するからである。造形材料の粉体を積層し、第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材の形状に応じてレーザ光を照射して第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材を造形する。
【０２４５】
図４９（ａ）に、造形ユニット７２０の上に積層造形し、弾性体７０７を完成させた状態を示す。弾性体７０７は、第１部材７０１と第２部材７０２の上に、第１の弾性構造体７０５、第２の弾性構造体７０６、および中間部材７０４を積層造形した構造物である。
造形プレートの固定ねじを外すと、図４９（ｂ）に示すように弾性体７０７が完成する。
【０２４６】
すなわち、第１部材と、第２部材を造形プレートに対して脱着可能に位置決め固定し、第１部材と第２部材の上面に、造形材料の層を積み重ねて第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材を造形する。そして、第１部材と第２部材と第１の弾性構造体と第２の弾性構造体と中間部材が一体化した３次元造形物を形成した後に、３次元造形物を造形プレートから脱着する。
【０２４７】
この製造方法は、従来の積層造形法と比べて、次の点でコストを下げることができる。
第一に、造形物を切り出す加工が不要である。従来はワイヤカットなどの機械加工により造形物を切り離していたが、本実施形態によれば、ねじを外すだけで脱着するので工程が簡易化されコストを低減できる。
【０２４８】
第二に、造形後の機械加工が必要最小限で済む。従来は、三次元造形物のうち高い精度が必要な部分は、造形後に機械加工する必要があった。造形後に機械加工を行うと、被加工物が複雑な形状をしているので、加工用の専用治具が必要となりコストがかかっていた。本実施形態によれば、精度が必要な第１部材と第２部材をあらかじめ準備し、この部分については積層造形をしていないため追加の機械加工は不要であり、コストを低減できる。
【０２４９】
第三に、造形材料の量を減らすことができる。積層造形法で使用する造形材料は、一般に高価である。本実施形態によれば、弾性体７０７の全体を積層造形するのではなく、一部だけ造形するので造形材料を減らすことができ、コストを抑制できる。より具体的には、弾性体７０７のうち第１部材１と第２部材２は積層造形しないため、高価な造形材料を節約できる。
【０２５０】
第四に、本実施形態によれば、造形プレートを繰り返し使用することが可能である。造形プレートの上に積層した造形材をレーザ焼結する積層造形法では、造形後には、レーザ照射によって造形プレートの表面が溶融するので、次の造形には使えない。本実施形態によれば、造形プレートにはレーザが当たらないので劣化することがなく、何度も使えるので、弾性構造体の製造コストを低減することが可能である。
以上のように、本実施形態の指先力センサは、積層造形法で製作する事が可能であり、製作コストを低減できる。
【０２５１】
また、従来の機械加工と異なり積層造形は、弾性構造体の本数を増やし、モーメント剛性の剛性比をさらに向上させることも容易である。また、製造誤差が生じても、弾性構造帯の本数が多いので、１本の弾性構造体の製作誤差は平均化され影響は小さい。
また、本実施形態では積層造形法により製造する方法について述べたが、これに限られることはない。例えば、機械加工によって製造することも可能である。
また、本実施形態では弾性構造体の断面形状を矩形として説明したが、矩形以外でも可能である。例えばカドを丸めた矩形や楕円でも、実施することが可能である。
【０２５２】
以上のように、本実施形態のセンサは、ロボットハンドの指先にかかる力を検出する指先力センサであって、ロボットハンドに固定される第１部材と、指に固定される第２部材と、中間部材とを備える。第１部材と中間部材を連結する弾性体を２列以上かつ４本以上有する第１の弾性構造体と、第２部材と中間部材を連結する弾性体を２列以上かつ４本以上有する第２の弾性構造体と、第１部材と第２部材の相対変位を検出する検出手段とを備える。そして、第１の弾性構造体が配置された方向と前記第２の弾性構造体が配置された方向が２５度以上異なり、検出手段の出力と、第１部材、中間部材、第２部材、第１の弾性構造体、第２の弾性構造体とからなる構造体の剛性とを用いて指先にかかる力を検出する。
【０２５３】
（第三の実施形態の変形例１）
図５０を用いて、第三の実施形態の変形例について説明する。第三の実施形態とは第１の弾性構造体が異なり、その他については同様である。
図５０（ａ）は説明のために分解した図で、図５０（ｂ）は完成図である。
【０２５４】
第１部材７０１、第２部材７０２、中間部材７０４を設け、４本以上の弾性構造体から構成される第１の弾性構造体７０５により第１部材７０１と中間部材７０４を連結する。また、４本以上の弾性構造体から構成される第２の弾性構造体７０６により第２部材７０２と中間部材７０４を連結する。第１部材は、不図示の指の移動部材に固定し、第２部材７０２は指７３０に固定する。
【０２５５】
第１の弾性構造体７０５は、垂直軸ηと水平軸ξで張られる平面η−ξ上に配置される放射状弾性構造体である。この平面上に中心点Ｐ２があり、第１の弾性構造体構造はこの点の方向を向いている。一方、指７３０の先端の点を、平面η−ξに投影した点をＰ１とする。
本実施形態は、中心点Ｐ２が点Ｐ１よりも外側に配置されているのが特徴である。このように配置すると、すでに説明したように、指先Ｐ１にかかる力に対するセンサ位置での変位が大きくなるため、高感度な指先力センサを構成できる。
【０２５６】
（第三の実施形態の変形例２）
図５１（ａ）、図５１（ｂ）を用いて、第三の実施形態の変形例２を説明する。図５０に示す他の実施形態とは、第１の弾性構造体、特に中心点Ｐ２の配置が異なり、その他については同様である。図５１（ａ）は説明のために分解した図で、図５１（ｂ）は完成図である。
【０２５７】
第１の弾性構造体７０５は、水平軸ξと指７３０の先端の点Ｐ１を含む平面η−ξ上に配置される放射状弾性構造体である。この平面上に、中心点Ｐ２があり、第１の弾性構造体はこの点の方向を向いている。
このように配置すると、すでに説明したように、指先Ｐ１にかかる力に対するセンサ位置での変位が大きくなるため、高感度な指先力センサを構成できる。
【０２５８】
（第三の実施形態の変形例３）
また、第三の実施形態の変形例３として、磁気式センサの代わりに光センサを変位検出手段として用いた実施形態を、図５３〜図５６を用いて示す。
図５３、図５４に光センサの例を示す。これは、例えば特開平４−１３０２２０に記載されているセンサと類似のものである。レーザ光源１００１から出射した光線は、コリメータレンズ１００２で平行光線となり、偏光ビームスプリッタ１０１７、波長板１００５を通過し、第１の回折格子１１０１に入射し、１次回折光として２つに分割される。回折光は、第２の反射型回折格子１１０２に入射し、反射した回折光が再び回折格子１１０１を透過し干渉する。この干渉光の明暗を、受光手段１００８で検出する。図示してないが、受光手段１００８を２つ設けて干渉光の位相も測定することにより移動方向を知る技術も、例えば特開昭６３−３１１１２１により公知である。
【０２５９】
このような構成による光センサの模式図を、図５５に示す。図中、Ａ１００は、光学部と電気回路を集積して一体化した回路部である。回路部Ａ１００には、電気信号を取り出すための電極が設けられている。回折格子を有するスケールＡ１０１は、回路部Ａ１００と一定の隙間をあけて保持され、回折格子の刻まれるＡ１０２方向の相対変位を測定することができる。
この光センサを１〜３個組み合わせることで、第三の実施形態の位置検出手段を構成できる。
【０２６０】
図５７は、光センサを３つ組み合わせ、３方向の相対位置検出手段を構成した例である。スケールＡ１０１は３方向の回折格子Ａ１０２ａ〜Ａ１０２ｃを有し、その回折格子に対向して３つの回路部Ａ１００ａ〜Ａ１００ｃを設ける。
また、２方向に刻んだ回折格子を用い、２方向の変位を同時に測定する光センサも知られている。この場合でも集積化が可能なので、指先力センサを小型に構成できる。さらに、特許第４７７９１１７号に開示されているように、光学系を工夫することによって、一つの回折格子で３方向の変位を同時に測定することも可能である。
【０２６１】
図５８に示すのは、このような光センサを組み込んだ指先力センサの分解図である。第三の実施形態に対し、相対位置検出手段の部分だけが異なるので、この部分を中心に説明する。
スケールＡ１０１を、第２部材２に固定して設ける。このスケールＡ１０１は、直方体であり、直方体の３面にそれぞれ異なる方向に回折格子Ａ１０２ａ〜Ａ１０２ｃを備える。この回折格子に対向して３つの回路部Ａ１００ａ〜Ａ１００ｃを電気基板Ａ１０３に固定して設ける。光センサ用の電気基板Ａ１０３は、第１部材にねじ１３を用いて固定する。回路部Ａ１００ａ〜Ａ１００ｃの電気信号は電気基板Ａ１０３を介して制御基板１１に連結し、第１部材１と第２部材２の、３方向の相対変位を出力する。尚、この変形例では１方向だけ測定する光センサを３つ組合せた例を示したが、１つの回折格子で３方向を同時に測定する光センサを用いてもよい。
【０２６２】
以上説明したように、第三の実施形態およびその変形例によれば、検出精度が高く、コンパクトで製造コストが低廉な指先力センサを提供することができる。
【０２６３】
［その他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述した例に限られるものではなく、本発明の技術思想の下に、一部を変更したり、組み合わせたりすることも可能である。
【符号の説明】
【０２６４】
１・・・第１部材／２・・・第２部材／３・・・弾性構造体／４・・・中間部材／５・・・第１弾性構造体／６・・・第２弾性構造体／７・・・弾性体／８・・・スケール／９・・・センサ基板／１１・・・トルクセンサ制御基板／２０・・・造形ユニット／１００・・・ロボット装置／１０１・・・ロボット制御装置／１１１・・・目標造形物／１１２・・・造形可能な形状／２００〜２０６・・・リンク／２１０・・・ロボットハンド／５２１〜５２６・・・トルクセンサ／Ｊ１〜Ｊ６・・・関節／Ａ１００・・・光センサの回路部／Ａ１０１・・・スケール／Ａ１０２・・・測定方向／Ａ１０３・・・光センサ用の電気基板
【図１】
2019045216.tif 000073
【図２】
2019045216.tif 000074
【図３】
2019045216.tif 000075
【図４】
2019045216.tif 000076
【図５】
2019045216.tif 000077
【図６】
2019045216.tif 000078
【図７】
2019045216.tif 000079
【図８】
2019045216.tif 000080
【図９】
2019045216.tif 000081
【図１０】
2019045216.tif 000082
【図１１】
2019045216.tif 000083
【図１２】
2019045216.tif 000084
【図１３】
2019045216.tif 000085
【図１４】
2019045216.tif 000086
【図１５】
2019045216.tif 000087
【図１６】
2019045216.tif 000088
【図１７】
2019045216.tif 000089
【図１８】
2019045216.tif 000090
【図１９】
2019045216.tif 000091
【図２０】
2019045216.tif 000092
【図２１】
2019045216.tif 000093
【図２２】
2019045216.tif 000094
【図２３】
2019045216.tif 000095
【図２４】
2019045216.tif 000096
【図２５】
2019045216.tif 000097
【図２６】
2019045216.tif 000098
【図２７】
2019045216.tif 000099
【図２８】
2019045216.tif 000100
【図２９】
2019045216.tif 000101
【図３０】
2019045216.tif 000102
【図３１】
2019045216.tif 000103
【図３２】
2019045216.tif 000104
【図３３】
2019045216.tif 000105
【図３４】
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【図３５】
2019045216.tif 000107
【図３６】
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【図３７】
2019045216.tif 000109
【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
2019045216.tif 000112
【図４１】
2019045216.tif 000113
【図４２】
2019045216.tif 000114
【図４３】
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【図４４】
2019045216.tif 000116
【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
2019045216.tif 000121
【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
2019045216.tif 000124
【図５３】
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【図５４】
2019045216.tif 000126
【図５５】
2019045216.tif 000127
【図５６】
2019045216.tif 000128
【図５７】
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【図５８】
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