(57)【要約】【課題】センサの材質および寸法を調整してアクチュエータトルクに存在するセンシングに必要なトルクを小さく調整する方法および、センサの感度拡大率とセンサの材質、寸法および上述した諸トルクの間の関係を明確にし、これらの関係を適当に調整して大きな感度拡大率を持たせるセンサを提供することを目的とする。【解決手段】センサ機構１は、関節回転部２に装着し、モータ３と第１指リンク９の間にセンサ５と回転軸６が機構的に並列につながっている。指関節トルクを正確にセンシング及び制御するために、アクチュエータからのトルク＝関節軸にかかるトルク＋センサにかかるトルク、の関係からその三者中の任意の二者がそれぞれ線形関係を有し、それによってセンサ設計の時に三者間の関係を作業要求に応じて調整可能にしたことを特徴とするトルクセンシングを行う方法である。【選択図】　　　　図２
2004020368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪拡大メカニズムを用いた指関節トルクの高感度センサにおいて、前記指関節トルクを正確にセンシング及び制御するために、アクチュエータからのトルク＝関節軸にかかるトルク＋センサにかかるトルク、の関係からその三者中の任意の二者がそれぞれ線形関係を有することを知見し、それによってセンサ設計の時に三者間の関係を作業要求に応じて調整可能にしたことを特徴とするセンサ調整方法
【請求項２】
歪拡大メカニズムを用いた指関節トルクの高感度センサにおいて、センサの感度拡大率とセンサの材質、寸法およびアクチュエータからのトルク＝関節軸にかかるトルク＋センサにかかるトルク、の関係を調整して大きな感度拡大率を持たせるセンサ調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボット指関節などのようなサイズの小さい関節軸及びロボット以外のあらゆる関節軸において、高感度のトルクセンシングを行うことができるトルクセンシングに用いる高感度トルクセンサの調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットの多指ハンドが性能を十分発揮するためには、ハンドの汎用性や操作性の良いことが重要な条件である。操りや協調作業を意識した場合に、指リンクの中間、つまり指の腹や背の部分をうまく使うことが有効であることは、我々人間の操り、包み込み把持や持ち替えなどを見ても明白である。このような指の協調操作を行うとき、ロボット多指ハンドにおける指関節のトルクをセンシングすることは、操作時の力情報を得るために必要であると考えられる。
機構的に見ると、回転１自由度をもつ関節において２本のリンクは関節軸によってつながっている。一般に、リンクの１つを関節軸に固定して、もう１つを関節軸の周りに回転させることが多い。この場合、アクチュエータなどから直接的にあるいは歯車やワイヤ、べルトなどを経由して間接的に関節軸を駆動すればリンク間の相対回転が生成できる。また、駆動されたリンクが負荷を受けるとき、関節軸、伝動装置またはアクチュエータのある表面部分に歪み変形などが発生し得る。
【０００３】これまでの、回転関節トルクのセンシングを大きく２つに分類してみると、モータへの入力電流を計る間接的方法と、歪みゲ−ジなどを使用してトルク負荷を受けた部分の変形をトルクへ変換して計測する直接的方法とがある（浅田：計測自動制御学会論文集、ｖｏｌ．２２、ｎｏ．８、ｐｐ．７５〜８０、１９８６）。前者の間接的方法では、計測精度が電磁気的な特性に依存してしまうので、使用環境によって精度が低下することがある。また、あらかじめ入力電流と出力トルクの関係を出しておきその関係と入力電流からトルクを計測するため、正確なトルクを決定するのは難しい。後者においては、トルク負荷を受けることにより歪み変形を起こす関節軸に直接歪みゲ−ジを貼るトルク計測法（塩田、谷口：実践メカトロニクス　「センサ」．産業図書、１９８３　他）が基本的な方法として知られているが、感度を上げようとすると軸の剛性を犠牲にしなければならない。このため、ロボットとしての動的影響が問題になる。これを改善するために、浅田のダイレクト・ドライブモ−タと関節軸の間に弾性体を取り付け、歪みゲ−ジを貼ってトルクを計測する方法や、Ｈａｓｈｉｍｏｔｏのハ−モニックドライブのフレクスピラインに歪みゲ−ジを貼ることによるトルクセンサ（Ｍ．Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ，Ｔ．Ｉｓｈｉｔｓｕｋａ，Ｉ．Ｇｏｄｌｅｒ　ａｎｎｄＭ．Ｈｏｒｉｕｃｈｉ：“Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｄｒｉｖｅ　Ｂｕｌｔ−ｉｎＴｏｒｑｕｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　，”Ｐｒｏｃ．ｏｆ　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，　ｖｏｌ．２，ｐｐ．１３３４−１３３９，Ｍａｙ　２０００）が提案されている。浅田らはダイレクト・ドライブア−ムにおいて入出力側のロ−タ慣性を調節しやすいことに注目し、その調節によって被計測部の剛性を低めても慣性比が十分小さい限り動的影響は無視できるとしてそのための条件を明らかにしている。Ｈａｓｈｉｍｏｔｏらもハ−モニックドライブ減速機に含まれる既存の弾性体に歪みゲ−ジを貼り軸の剛性を低下させることなく関節トルクの計測に成功している。ただし、これらの方法は、サイズの大きなロボットア−ム関節には適用できるが、サイズの小さな指関節に応用することは困難であると考えられる。また、関節軸に固定したリンクの根元部分に弾性体を取り付け歪みゲ−ジを貼ってトルクを計測する方法（羅：“歪みフィ−ドバックによるフレキシブルロボットア−ムの制御の理論的実験的考察”，計測自動制御学会論文集，ｖｏｌ．２８，ｎｏ１，ｐｐ．６７−７６，１９９２　他）も提案されているが、このように導入された弾性体によりリンクの剛性を低下させることは避けられない。
【０００４】
一方、指関節でのトルク計測という目的に対して、金子らは腱駆動による指関節機構に対し、張力差動型トルクセンサを提案し（Ｍ．Ｋａｎｅｋｏ，Ｋ．Ｙｏｋｏｉ　ａｎｄ　Ｋ．Ｔａｎｉｅ　：“Ｏｎ　ａ　Ｎｅｗ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　Ｔｅｎｄｏｎ　Ｄｒｉｖｅ　Ｆｉｎｇｅｒ，”ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．６，ｎｏ．４，ｐｐ．５０１−５０７，１９９０．）、腱張力の変化からトルクを計測している。
指関節軸のトルク計測の難しい理由として、関節のサイズが小さいため、トルク負荷を受けた部分の歪み変形が小さくなったり、歪みゲ−ジを貼る十分なスペ−スが確保できないなどの問題が生ずる。このため、関節の剛性を低下させることなく、トルク負荷を受けた部分の歪み変形からトルクを直接計測することは困難である。
【０００５】
そこで、本発明者は、関節軸にトルクが加わったときの軸のねじり変形に注目し、関節軸にはり状のものを固定しておくことでねじり変形の影響を拡大して抽出することによって、トルクをセンシングする方法と高感度センサを発明した。この高感度センサはモ−タ駆動などの回転関節軸が存在する場合において、現在まで計測不可能なサイズの小さな関節でもトルクを計測可能にし、また、軸の剛性などに影響せずに高感度なトルクセンシングを実現することができることを示した（平成１２年９月１２日：日本ロボット学会学術講演会）。しかし、そこではセンサからの測定値とアクチュエータからのトルク間の関係については明確にされていない。したがって、センシングに必要なトルクがアクチュエータトルクの何割を占めるのは不明であり、関節トルクなどのセンサ値によるフィ−ドバック制御への実用は困難であった。
また、前記発明では、センサの感度拡大の可能性を示したが要求によってその感度拡大率が調整できるか、どのようにして高感度のセンサが得られるかについては明らかにされていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、アクチュエータからのトルク＝関節軸にかかるトルク＋センサにかかるトルク、との関係を発見して、その三者中の二者がそれぞれ線形関係を有することを明らかにした。また、これらの関係を用いて設計のときにセンサの材質および寸法を調整してアクチュエータトルクに存在するセンシングに必要なトルクを小さく調整する方法を発明した。更に、上述した線形関係を考慮に入れて、センサの感度拡大率とセンサの材質、寸法および上述した諸トルクの間の関係を明確にし、これらの関係を適当に調整して大きな感度拡大率を持たせるセンサの設計を発明した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術的解決手段は、歪拡大メカニズムを用いた指関節トルクの高感度センサにおいて、前記指関節トルクを正確にセンシング及び制御するために、アクチュエータからのトルク＝関節軸にかかるトルク＋センサにかかるトルク、の関係からその三者中の任意の二者がそれぞれ線形関係を有することを知見し、それによってセンサ設計の時に三者間の関係を作業要求に応じて調整可能にしたことを特徴とするセンサ調整方法としたことである。
また、歪拡大メカニズムを用いた指関節トルクの高感度センサにおいて、センサの感度拡大率とセンサの材質、寸法およびアクチュエータからのトルク＝関節軸にかかるトルク＋センサにかかるトルク、の関係を調整して大きな感度拡大率を持たせるセンサ調整方法としたことである。
【０００８】
【発明の実施形態】
図１は、従来のトルクの計測方法について説明する。
図１に示すように軸の一端を固定し他端にトルクＴａｘｉｓが加わると、軸がねじり変形を起こす。軸の半径をＲ、長さをＬ、横弾性係数（剛性率）をＧａｘｉｓとする。このとき、軸に加わるトルクＴａｘｉｓと長さＬのねじれ角Φとの関係は、
【０００９】
【数１】
2004020368.tif 000003
となる。上式より、ＴａｘｉｓとΦとは線形関係で表すことができ、ＴａｘｉｓとΦから計測可能である。従来の方法は、ねじり変形を起こす軸の表面に直接歪みゲ−ジを貼り、ねじり変形に起因する表面の歪みからトルクを計測していた。しかしこのような計測法は、細かい軸径を有する指関節に対しては、実現困難と考えられる。
次に、本発明について図２から図４を使って説明する。
本発明のセンサ機構１は図２に示すように関節回転部２に装着し、モータ３と指リンク４の間にセンサ５と回転軸６が機構的に並列につながるものとする。すなわち、センサ機構１はセンサ５とゲ−ジ７からなり、センサ５の一方は、関節回転部２を構成するモータ３の回転軸６に固定され、他方は、第１指リンク９の突起体８によって回転軸６まわりの回転方向に拘束されている。指４は、第１指リンク９と第２指リンク１０からなり、第１指リンク９は、第２指リンク１０に設けられたブラケット１１、１１に支持されたモータ３の回転軸６に回転可能に支持されている。更に詳述すると、センサ機構１のセンサ５を図３に示す。センサ５は長手のはり状で、途中にくびれ部を有し、その長手の方向は前記回転軸６と直交して、変形がないときは前記指リンク４の長手方向と平行にする。センサ５の一端はトルクを伝える回転軸６に固定し、他端は長手方向と前記突起体８まわりの回転方向には変位可能であり、その直交方向には変位できないように指リンク４の前記突起体８により拘束されている。くびれている変形可能な部分の長さをｌｘ　（その部分の厚さをｈ、幅をｂ）、センサ５と回転軸６との結合部分からｌｘ　の中央までの長さをｌ１　、残りの部分をｌ２　とする（図３（ａ））。ｌｘ　以外の部分は厚く設計し変形を押さえるもので、図３（ｂ）に示すように、ｌ１　部分が軸のねじれ角Φに連動したときにｌｘ　部分に変形が集中するようにする。
【００１０】
図４は図２を回転軸方向から見たもので、センサ５の動きと特徴について示している。図４（ａ）の状態から指リンクを回転させ、対象物に接触したとすると、指リンクが接触力を受ける。この接触力により、軸の部分に抵抗トルクが加えられる。
この抵抗トルクとモータに加えられたトルクから、リンクとセンサの間の関節軸にねじり変形が起こる（図５参照）。軸の剛性が高くてセンサのｌ１　の部分がより柔らかいので、センサにおいては、ｌ１　の部分が軸のねじり変形に連動する。
このときｌ２　部分が長手方向と直交する方向に拘束を受けるので、ｌｘ　の部分に図４（ｂ）（ｃ）のようにたわみ変形が生じる。このたわみ変形の計測により軸のねじり変形をセンシングすることができる。ただし、実際の軸のねじれ角Φが１０−２〜１０−３〔ｄｅｇ〕のオ−ダ−であることを考慮して、軸のねじれ角、センサのｌｘ　部分のたわみ変形、およびｌ２　部分の回転変位と長手方向変位は、実際にかなり微小である。ここに、論述をわかりやすくするために、軸のねじれ角、ｌｘ　の変形およびｌ２　の変位を適当に大きくして図示している。
この機構において、モータの発生トルクをＴｍｏｔｏｒ　、軸と指リンクの結合部分に働くトルクをＴａｘｉｓ、軸とセンサの結合部分に働くトルクをＴｓｅｎｓｏｒとする。図２と図５に示すようにモータから発生したＴｍｏｔｏｒ　は、リンクの結合部分とセンサの結合部分において２つに分かれてリンク上の外力の作用部分に伝達される。
つまりＴａｘｉｓ、Ｔｓｅｎｓｏｒ、Ｔｍｏｔｏｒ　の間には次式の関係が成り立つ。
Ｔｍｏｔｏｒ　＝Ｔａｘｉｓ＋Ｔｓｅｎｓｏｒ
よって、本発明によるトルクセンサを導入する前には、Ｔｍｏｔｏｒ　はすべてＴａｘｉｓに働いていたが、本発明のセンサを導入することで、一部のＴｍｏｔｏｒ　はＴｓｅｎｓｏｒは分かれてセンサのたわみの変形を引き起こす。従来の研究では、モータとリンクの間に弾性体を直列的に取り付け、モータトルク全部を弾性体に通させてその変形が実現される。
【００１１】
これに対して、本発明では弾性体を回転軸と並列的につながり、一部のモータトルクにより弾性体変形を行うので、関節剛性の低下が避けられる。並列的につながった剛性の低いセンサと剛性の高い回転軸に対して、センサのたわみ変形が軸のねじり変形に連動しているので、軸の変形にセンサからの抵抗が生じると考えられる。よって、関節全体の剛性は軸の剛性にセンサの剛性を加えたものとなる。軸の剛性が一定の場合、センサの剛性を高めにすると、関節の剛性は軸の剛性より高く得られるが、一定のＴｍｏｔｏｒ　で軸のねじり変形が小さくなるので、センサのたわみ変形も小さくなる。逆に、センサの剛性を低めにすると、関節の剛性は軸の剛性よりあまり高くならないが、センサのたわみ変形がより大きく得られる。また、これに伴い変形に必要なＴｓｅｎｓｏｒがより小さくなる。したがって、軸の剛性を低下させずより大きなセンサたわみ変形が得られるために、Ｔｓｅｎｓｏｒは小さければよい。さらに、多指ハンド操作の制御をうまく遂行するために、Ｔｍｏｔｏｒ　とＴａｘｉｓとが一定の線形関係を持つことが望ましい。以下では、センサの変形に関する幾何学的解析を行ったのち、これらのトルク間の関係やトルクとセンサの変形の関係について解析する。
【００１２】
ここでは、まず本発明のセンサに関して、トルクを受けることでセンサが変形したときの歪みと関節軸のねじれ角Φとの関係を解析する。その結果により、本発明のセンサでトルク計測が可能であることを示す。
つぎに、実際にこのように変形するための必要トルクとセンサの歪み変形の関係について論ずる。そして、センサの感度と関節軸歪み変形に対する感度拡大率を定義し、高感度センサの実現手法について述べる。
図６は図３の変形後のセンサを簡略化して図に示したものである。実際にはねじれ角Φが微小であるので、変形したセンサを表す三角形の両辺について、長い部分の長さをｌ１　、短い部分の長さをｌ２　とおける。まず、ｌｘ　部分の歪みを求めるために、角ΘをΦで表す。ｌｘ　以外の部分が一切たまわずｌｘ　部分のみが変形するので、ねじれ角Φとαの関係を考えると、
【００１３】
【数２】
2004020368.tif 000004
が成り立つ。よって、次の式が得られる。
【００１４】
【数３】
2004020368.tif 000005
つぎに図３に示したたわみ変形の生じたｌｘ　部分の表面の歪みειｘ　を求める。ｌｘ　の厚さはｈ、中立軸の長さはｌｘ　であるので、たわみ変形時の曲率半径をρ（＝ｌｘ　／Θ）、ｌｘ　部分表面の長さの変化をΔｌとすると、次式が得られる。
【００１５】
【数４】
2004020368.tif 000006
式（６）によって、ειｘ　はΦで表すことができ、
【００１６】
【数５】
2004020368.tif 000007
のように得られる。さらに、Φが微小であるからｓｉｎΦ≒Φ、ｃｏｓΦ≒１となるので、式（７）から次式が得られる。
【００１７】
【数６】
2004020368.tif 000008
実際の歪みειｘ　は１０−３のオ−ダ−であることを考慮し、（２ｌｘ　ειｘ　）／ｈが十分小さくなるようにｌｘ　とｈを設計すれば、ｓｉｎ（２ｌｘ　ειｘ　／ｈ）≒（２ｌｘ　ειｘ　／ｈ）、ｃｏｓ（２ｌｘ　ειｘ　／ｈ）≒１であるので、
ειｘ　は、
【００１８】
【数７】
2004020368.tif 000009
のように求められる。よって、たわみ変形しているｌｘ　部分の歪みειｘ　は、軸のねじれ角Φとの線形関係式として表すことができる。さらに、式（１）と（９）からΦを消去すると
【００１９】
【数８】
2004020368.tif 000010
が得られ、関節軸トルクＴａｘｉｓとειｘ　の間にも線形関係が成り立つ。
以上より、本発明の構造のセンサを使用してセンサの歪みειｘ　から関節軸トルクＴａｘｉｓをセンシングすることは可能であることがわかる。この機構は、小サイズの関節に適用できるだけでなく、はり構造によって軸表面の多方向の歪み測定を一方向の歪み測定に変換できるため、関節軸に直接歪みゲ−ジを貼るなどの多軸交叉型の手法を用いた場合の歪みゲ−ジの位置決め誤差や貼りつけ誤差を軽減することができる。
【００２０】
つぎに、センサの変形を起こすためのトルクおよび関節軸上の諸トルクの関係について述べる。
図３に示すようにセンサのｌｘ　部分に関して、加えられたＴｓｅｎｓｏｒと、センサのたわみ変形部分の曲率半径ρとの関係は断面二次モ−メントＩを用いて次式で表される。
【００２１】
【数９】
2004020368.tif 000011
ここでＥｓｅｎｓｏｒはセンサの材質の縦弾性係数（ヤング率）である。センサ変形部分の断面を長方形とするとＩ＝ｂｈ３　／１２で表される。また、式（６）とｌｘ　＝ρΘから次式が得られる。
【００２２】
【数１０】
2004020368.tif 000012
上式により、材質が一定な場合、ｌｘ　部分の厚さｈや幅ｂを小さくすれば、より小さいＴｓｅｎｓｏｒで一定の歪みειｘ　を実現することが可能である。式（１２）を書き換えると、歪みειｘ　を実現するために必要なトルクＴｓｅｎｓｏｒは次のように表される。
【００２３】
【数１１】
2004020368.tif 000013
つぎに、式（２）、（１０）と（１３）から、Ｔｍｏｔｏｒ　、Ｔａｘｉｓ、Ｔｓｅｎｓｏｒの諸トルク間の関係を考える。ＴａｘｉｓとＴｓｅｎｓｏｒの関係は、式（１０）と（１３）より次のような線形関係であることがわかる。
【００２４】
【数１２】
2004020368.tif 000014
また、式（２）と（１４）より
【００２５】
【数１３】
2004020368.tif 000015
であるので、Ｔｍｏｔｏｒ　、Ｔａｘｉｓ、Ｔｓｅｎｓｏｒは互いに線形関係であることがわかる。上式において、たとえばセンサ変形部分の厚さｈや幅ｂをより小さくしていくと、一定のＴｍｏｔｏｒ　に対してのＴａｘｉｓ、の値は大きくなり、その結果トルクセンサに働くトルクＴｓｅｎｓｏｒが小さくなる。つまり、計測対象となる関節軸の素材や寸法にかかわらず、センサの寸法の決定などによって、これら諸トルクの関係をある程度調整できる。
【００２６】
次に、関節軸の一定のねじり変形に対して、本発明のトルクセンサの感度の拡大率について論ずる。従来の軸トルク計測に用いられていた軸に直接歪みゲ−ジを貼る方法と本発明のトルクセンサとの感度を比較する。ここでは、単位関節軸トルクに対するセンシング用の歪みの大きさを、トルクセンサの感度と定義する。まず、軸径Ｒの軸に直接歪みゲ−ジを貼る方法において、トルクＴａｘｉｓが加わったことによる軸表面の歪みεａｘｉｓは、軸の剛性係数Ｇａｘｉｓを用いて次式で表される。
【００２７】
【数１４】
2004020368.tif 000016
よって、その感度は
【００２８】
【数１５】
2004020368.tif 000017
となる。一方、本発明のトルクセンサの感度は
【００２９】
【数１６】
2004020368.tif 000018
のように記述できる。式（１０）と（１６）より、ειｘ　／εａｘｉｓは
【００３０】
【数１７】
2004020368.tif 000019
のように求められる。ειｘ　／εａｘｉｓが１より大きいとき、感度ειｘ　／Ｔａｘｉｓはεａｘｉｓ／Ｔａｘｉｓより大きくなるので、ここでειｘ　／εａｘｉｓを関節軸歪み変形に対する感度拡大率と呼ぶことにする。
式（１９）についてさらに詳細に考察すると、感度拡大率とセンサの各幾何学的要素の間の関係は以下のように特徴付けられる。
まず、式（１９）においてＬ／Ｒはトルク計測の対象となる軸の寸法により決まる因子を表しており、決定されている部分である。
そのためセンサの設計のときにこの因子を調整することは一般にできない場合が多いと考えられる。つぎに（ｌ１　＋ｌ２　）／ｌ２　はセンサの長手の方向の長さとｌｘ　部分の位置により決まる因子で、センサの設計によって拡大率を調整することができる。つまり、ｌ２　部分に対するｌ１　部分の長さを長くすれば感度拡大率を大きくすることが可能である。最後にｈ／ｌｘ　はセンサの変形可能部分の因子で、長さｌｘ　を短くし、厚さｈを厚くすることによって大きくすることができる。ただし、式（１５）から、これらの調整で感度拡大率を大きくするとき、幅ｂが一定であれば実際にｌｘ　の変形に必要なトルク少しずつ大きくなるという影響があるが、ｂを適当に小さくすればこの影響を軽減することまたは打ち消すことは可能である。
また、感度拡大率とそれを実現するための各関節トルクとの関係は、式（１２）と（１６）より
【００３１】
【数１８】
2004020368.tif 000020
と表すことができる。式（２０）から、より小さいＴｓｅｎｓｏｒで望みの拡大率にするために、センサ変形部分の厚さｈを薄く（または幅ｂを縮めに）すればよい。ただしこの場合、望ましい拡大率に応じて、式（１９）により、ｌ１　部分を長くしたりｌ２　部分を短くしたりしてｈの薄くなった分を打ち消す必要がある。
望ましい感度拡大率がわかれば、式（２０）のＧａｘｉｓ／Ｅｓｅｎｓｏｒの部分に注目して、センサ材質の選定によって、トルクＴｓｅｎｓｏｒとＴａｘｉｓとの関係を調整することも可能である。
【００３２】
図７は、実験で使用したセンサ機構の場合を例にして、トルクの関係と材質の関係をグラフにしたものである。ここに、センサの使用材質範囲をアルミニウムからマグネシウムに、関節軸の使用材質範囲をからマグネシウムから、ステンレスに変えることを考えた場合、Ｇａｘｉｓ／Ｅｓｅｎｓｏｒの範囲は１≦（Ｇａｘｉｓ／Ｅｓｅｎｓｏｒ）≦５となる。前述したようにＴｓｅｎｓｏｒ／Ｔａｘｉｓの値は小さいほど良いので、ず７を参考にしてＴｓｅｎｓｏｒ／Ｔａｘｉｓの値がなるべく小さくなるようにセンサの材質を選定すればよい。上述により、本発明のトルクセンサを用いれば、関節軸表面の歪み変形を拡大して関節軸トルクをセンシングすることができる。
本発明のトルクセンサを製作し、それを３リンク３関節のロボット指機構に実装して実験装置とした。実験装置と本発明のトルクセンサの概観を図８と図９に示す。装置の各寸法は表１（Ｔａｂｌｅ１）に示すとおりである。
【００３３】
【表１】
2004020368.tif 000021
本実験で使用した材質は、センサとしてジュラルミン（Ａ２０１４−Ｔ４）、関節軸としてオ−ステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４）である。また、式（１９）と（２０）により、センサの感度拡大率は３．７０倍であり、Ｔｓｅｎｓｏｒ／Ｔａｘｉｓは０．０６５である。
【００３４】
静特性の評価である〔直線性〕〔ヒステリシス特性〕の各々について述べる。
〔直線性〕一つの関節に関して、関節の指根元側のリンクを固定して関節軸中心から４５〔ｍｍ〕離れた指先側のリンクの先端に重りを吊り下げて、軸に−０．２１〔Ｎｍ〕から０．２１〔Ｎｍ〕までのトルクを加えた。各関節トルクセンサからほぼ同じ実験結果が得られた。図１０に第１リンクと第２リンク間のトルクセンサの直線性の実験結果を示す。横軸は重りから計算したトルクの値を、縦軸は本発明のセンサからの出力を示す。誤差は±０．００４〔Ｎｍ〕の範囲であったので、直線度（１００×誤差／計測範囲）は±０．９５〔％〕であった。
〔ヒステリシス特性〕リンクの先端に変動負荷を与え、フォ−スゲ−ジ（日本電産シンポ製ＦＧＣ−５Ｎ）と本発明のトルクセンサの出力を計算し比較した。計測方法は実験装置指先部分にフォ−スゲ−ジを固定し、手動にて徐々に負荷を正方向に加え、フォ−スゲ−ジが０．１６〔Ｎｍ〕を示した瞬間今度は徐々に負荷を減少させていき、さらに０〔Ｎｍ〕を通過し、−０．１６〔Ｎｍ〕を示すまで負方向に負荷を徐々に加え、その後０〔Ｎｍ〕に戻した。図１１は変動負荷でのデータからのグラフである。その誤差は±０．００５〔Ｎｍ〕の範囲に収まっている。このデータをもとに、ヒステリシス差をプロットしたグラフが図１２である。図１２の上のグラフは、横軸にフォ−スゲ−ジの値を表し、縦軸に本発明のトルクセンサの値を表したものである。図１２の下のグラフは、ヒステリシス差を表したものである。グラフの結果からヒステリシス差は０．００５５〔Ｎｍ〕であることがわかる。ただし、グラフのゼロクロスの近傍には差があまりないので、このヒステリシス差には線形性の誤差による影響が大きいと考えられる。
【００３５】
次に、動特性の評価である〔ステップ応答性〕〔周波数特性〕の各々について述べる。
〔ステップ応答〕本発明のトルクセンサの動特性を調べるためにステップ応答性を評価した。実験方法は以下のとおりである。重りを糸で吊るすことにより関節軸にトルクを発生させて、その糸を一瞬に切断することでゼロトルクにする。この実験に０．０４０、０．０８４、０．１２８、０．１７２、０．２１６〔Ｎｍ〕の５種類のトルクを加えた。実験結果を図１３に示す。この結果により、加えるトルクによってオ−バ−シュ−トや時間遅れなどの変化は見られないことがわかる。
〔周波数特性〕１、２、３、４、５〔Ｈｚ〕と、５〔Ｈｚ〕から５〔Ｈｚ〕おきに５０〔Ｈｚ〕までの正弦波電圧をモータに指令し、本発明のトルクセンサの出力信号を計測した。サンプリング周波数は２００〔Ｈｚ〕で計測時間は５〔ｓ〕間とした。また、低周波領域として０．１〔Ｈｚ〕刻みで０．１〔Ｈｚ〕から０．９〔Ｈｚ〕までのデータを取得した。このときサンプリング周波数は１００〔Ｈｚ〕で計測時間は１０〔ｓ〕間とした。いずれの場合も出力された１０００個のデータを２０４８個の標本に対してＦＦＴを施し、周波数特性を解析した。
得られたデータはモータの周波数特性と本発明のトルクセンサの周波数特性を足し合わせたものである。このデータを元にモータの周波数特性を除いて、本発明のトルクセンサのみの周波数特性をグラフにしたものが図１４である。ゲインをデシベル値で、位相遅れを角度で示した。その結果より、ゲインの変化は最大で０．６４〔ｄｂ〕、位相遅れは最大で２．６９５〔ｄｅｇ〕であった。
【００３６】
次に、本発明のセンサの感度拡大率を実証するために、歪みゲ−ジが直接貼りつけられた半径Ｒ＝３．０〔ｍｍ〕の関節軸を有する１リンク１関節の実験装置を製作した。この装置の各部品の材質は先に述べた３リンク３関節実験装置のと同じであり、それらの寸法はいかの通りである。リンクの長さはＬｌｉｎｋ＝８１〔ｍｍ〕、リンクとセンサ間の軸部分の長さはＬ＝１０〔ｍｍ〕、センサについてはｌｘ　＝６〔ｍｍ〕、　　ｌ１　＝３５〔ｍｍ〕、ｌ２　＝１５〔ｍｍ〕、ｈ＝２〔ｍｍ〕、ｂ＝４〔ｍｍ〕である。実験では、リンク先端に重りを吊り下げ０．３２、０．４８、０．６４〔Ｎｍ〕の３種類のトルクを加えて、本発明のトルクセンサで測定した出力値と、軸に直接歪みゲ−ジを貼り付けたときの出力値をそれぞれ収集した。図１５はそのときの両出力値の比をプロットしたものである。
これらの結果を比較すると、本発明のトルクセンサの感度拡大率は平均３．６７倍であった。また、実験に使った軸や本発明のトルクセンサの寸法を与えて理論計算した感度拡大率（式（１９）参照）は平均３．７０倍であった。理論値と実験値とはほぼ同じであることがわかった。
【００３７】
次に、実施可能性の検証実験を行った。
３リンク３関節のロボット指による対象物の把持において、各関節のトルク計測が可能であることを以下の実験により検討した。
ロボット指の第１関節は台座に固定され、その回転が拘束されている。第２、第３関節には駆動モータが取り付けてあり、一定の電圧指令によりリンクが回転するようになっている。また、指の各関節軸と重力の作用方向とを平行するように装置を設置し、回転に対して重力が影響をしないようにした。この指で直径５２〔ｍｍ〕の木製円柱の把持実験を行った。実験は６０〔ｓ〕間行い、本発明のトルクセンサで各関節のトルクセンシングを行った。
図１６は指ロボットの状況を時系列順に図示したもので、▲１▼から▲５▼の５つのプロセスに分かれている。それらは、全ての関節が静止しているプロセス▲１▼、第１、第２リンクが対象物と接触させようとする第２関節が回転しているプロセス▲２▼、第１、第２リンクは対象物と接触しながら、第３リンクを接触させようとする第３関節が回転しているプロセス▲３▼、第３リンクで対象物を接触した後の３関節で把持力のバランスを保つためにトルクを調整しているプロセス▲４▼、第３リンクで対象物を完全に安定把持した状態になっているプロセス▲５▼からなる。実験の様子を図１７に示した。図１８はそのときの第１、第２および第３関節のトルクをプロットしたものである。把持状態での各関節の定常トルクは第１、第２および第３関節でそれぞれ０．１９４、０．２５７、０．２６７〔Ｎｍ〕を計測した。実験結果から、作業中において各関節のトルクは良好にセンシング可能であることが明らかになった。
なお、このセンシング方法は、ロボット多指ハンドの指関節のみならず、ロボットアーム関節などのサイズの大きな軸径に対しても関節の剛性を低下させずに高感度なトルクセンシングを行うことができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、ロボットの多指ハンドによる把持と操りにおいて、その汎用性や器用さなどを向上させるためには、操作時に指関節のトルクをセンシングすることが必要である。本発明の、サイズの小さい指回転関節において、トルク発生時のねじり変形に着目して、関節に新たな弾性はりを導入し、軸のねじり変形によりはりに生じた歪み変形から関節トルクをセンシングする方法により、従来では計測不可能な指関節でもトルクセンシングを可能にする。また、軸表面の歪み変形より大きな歪み変形が得られるので、軸の剛性などを低下させずに高感度なトルクセンシングを実現することができる。また、回転関節に取り付けられる歪変形拡大メカニズム（トルクセンサ機構）とそれに基づく関節トルクのセンシング原理を提案し、ついで、提案したセンサ機構の変形および関節軸上の諸トルクについて理論的に解析を行い、これらのトルクはセンサ機構により線形的に計測可能であることを示した。そして、センサの感度とその感度拡大率を定義し、大きな感度拡大率が得られるセンサ機構の設計方法を明らかにした。また、関節トルクセンサ素子の装着が簡単でコストもやすく、さらに、感度についてはトルクセンサ素子の設計によって従来の関節軸のねじり変形を直接計測する方法に比べて１〜９倍程度向上できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】軸の一端を固定し、他端にトルクを加えて軸がねじり変形を起こす図である。
【図２】本発明の、センサ機構と指リンクとの関係斜視図である。
【図３】本発明の、センサ機構で（ａ）は、センサの変形前、（ｂ）は、センサの変形後の図である。
【図４】指リンクを回転させ対象物に接触したときの、本発明のセンサの動きの説明図である。
【図５】図４における、指リンクとセンサ間の関節軸にねじり変形が起きたときの各トルク、ねじれ角のの関係の説明図である。
【図６】図３の変形後のセンサを簡略化して図に示したものである。
【図７】トルクの関係と材質の関係をグラフにした図である。
【図８】本発明の、トルクセンサを、３リンク３関節のロボット指機構に実装した実験装置の図である。
【図９】本発明の、トルクセンサの概観の写真である。
【図１０】第１と第２リンク間のトルクセンサの直線性の実験結果図である。
【図１１】変動負荷でのデータからのグラフを示す。
【図１２】ヒステリシス差をプロットしたグラフである。
【図１３】５種類トルクを加えたステップ応答性の実験結果の図である。
【図１４】本発明の、トルクセンサのみの周波数特性をグラフにした図である。
【図１５】本発明の、トルクセンサで測定した出力値と、軸に直接歪みゲ−ジを貼りつけたときの出力値の比をプロットした図である。
【図１６】指ロボットの状況を時系列順に図示したものである。
【図１７】図１６の、実験の様子の写真図である。
【図１８】図１６における、第１、第２および第３関節のトルクをプロットした図である。
【符号の説明】
１　　センサ機構
２　　関節回転部
３　　モータ
４　　指リンク
５　　センサ
６　　回転軸
７　　ゲ−ジ
８　　突起体
９　　第１指リンク
１０　第２指リンク
１１　ブラッケト
【図１】
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【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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【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】
2004020368.tif 000036
【図１６】
2004020368.tif 000037
【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年6月19日(2002.6.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2004020368.tif 000040
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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