(57)【要約】      （修正有）【課題】感度及び信頼性が高く、構造がより簡単で製造コストの安価な力覚または運動センサを提供する。【解決手段】本発明による力覚または運動センサにおいては、センサを保持し固定するためのベース１と、６自由度方向の応力に感応するよう構成され前記ベースと対向して配置されたテーブル３０と、前記ベースと前記テーブルとの間に配置され前記応力に対応して動作する動作部と、前記動作部の変位及び／または変形を検出する複数の検出素子と、前記各々の検出素子の変位及び／または変形量を総合的に計算する演算部とからなるセンサにおいて、前記動作部は放射状に配置された複数の感応アーム１０と、これらアームと一体化されたアームより厚いボス部２５とからなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサを保持し固定するためのベースと、６自由度方向の応力に感応するよう構成され前記ベースと対向して配置されたテーブルと、前記ベースと前記テーブルとの間に配置され前記応力に対応して動作する動作部と、前記動作部の変位及び／または変形を検出する複数の検出素子と、前記各々の検出素子の変位及び／または変形量を総合的に計算する演算部とからなるセンサにおいて、前記動作部は放射状に配置された複数の感応アームと、これらアームと一体化したボス部とからなることを特徴とする力覚センサまたは運動センサ。
【請求項２】
前記ボス部は前記複数のアームよりも肉厚に構成されていることを特徴とする請求項１記載の力覚センサまたは運動センサ。
【請求項３】
前記アームの数が６本であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の力覚センサまたは運動センサ。
【請求項４】
前記ボス部は、前記各アームとの接続部の隣接するアーム間に、前記ボス部の厚さ方向に溝が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の力覚センサまたは運動センサ。
【請求項５】
前記演算部は回路基板上に形成されており、この回路基板は前記ボス部上面よりスペーサを介して吊り下げられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の力覚センサまたは運動センサ。
【請求項６】
前記テーブルと前記各アーム端部の前記動作部は、一端は３自由度、他端は２自由度以上の自由度を有する、回動自在に搆成された応力伝達部により連結されており、この応力伝達部はロッド端部に第１軸受及び第２軸受を形成し、これら第１軸受と第２軸受を接続する連結板とからなり、さらに前記第１及び第２軸受にはそれぞれ弾性部材が介在していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の力覚センサまたは運動センサ。
【請求項７】
前記第１軸受及び／または第２軸受がボール部と軸受部よりなるボールジョイントであり、前記弾性部材はボール部と軸受部との間に介在していることを特徴とする請求項６記載の力覚センサまたは運動センサ。
【請求項８】
前記ボール部及び／または軸受部には凹部が形成され、前記弾性部材が該凹部に弾性変形して入り込み若しくは、射出成形により入り込むように形成されて、該凹部と互いに嵌合することを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の力覚センサまたは運動センサ。
【請求項９】
前記第１軸受及び／または第２軸受は、前記ロッドに設けられ周囲に凹凸を有するジャーナル部、及び前記アームに設けられ周囲に凹凸を有する貫通孔からなり、前記弾性部材は前記ジャーナル部及び前記貫通孔との間に配置されていることを特徴とする請求項６記載の力覚センサまたは運動センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、６軸成分を同時に検出できる力覚センサまたは運動センサに関する。
【背景技術】
【０００２】  力覚センサは、力覚センサが有するトラベリングテーブル（物体）に作用する力（外力）を検出する装置であり、例えば、ロボットハンドにおいて人間の指先の触覚を実現するために用いられる。力覚センサには、三次元空間の直交座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の３軸方向の力成分と、その３軸回りのモーメント成分の計６成分を同時に検出することができるものがある。このように、６成分を検出できる力覚センサは、６軸力覚センサとも呼ばれている。【０００３】  特開平１０−２７４５７３号公報（特許文献１）には、トッププレートとボトムプレートとを複数のロッドで連結し、これらプレート相互の連結は一端側が２自由度のジョイントにより、他端側が３自由度のジョイントによる力覚センサが開示されている。そしてこの力覚センサのロッドにはロッド軸線方向の圧縮・引張り力を検出できる検出素子が具備されている。【０００４】  また、構造体が変形して力を検出する力センサ（構造変形モード）が、特開平９−３１８４６９号公報（特許文献２）に開示されている。例えば、歪ゲージと弾性体とを組み合わせた型の６軸力センサは、力制御を行うロボットにおける外力測定などの用途で広く用いられている。歪ゲージを取り付けた弾性体に力或いはモーメントが作用して弾性体が変形すると、それに応じて各歪ゲージに応力が発生する。その結果生じる各歪ゲージの電気抵抗値の変化は、周知のブリッジ回路を介して電圧値として出力され、さらに所定の計算回路或いはソフトウェア処理によって６軸力に変換される。【０００５】  また、特開平５−１４９８１１号公報（特許文献３）には、平板上の起歪体のＦＥＭ解析により設定された最適部位に貼付された複数の歪ゲージにより直交する３軸の力と、これら軸回りのモーメントを独立して検出する複数のブリッジ回路よりなる歪検出用回路を備えている６軸力覚センサが開示されている。【０００６】  また、特開平９−１３１６９０号公報（特許文献４）には、複数のアクチュエータの協同により所定の可動板の位置・姿勢を制御する６軸荷重検出装置が開示されている。複数のアクチュエータの協同動作により可動板を所定の位置・姿勢に保持させることにより、予め決められた可動板上の所定の点に作用する６軸荷重を検出するものである。【０００７】  また、特開２０００−１４８３８２号公報（特許文献５）には、ユーザに力覚を呈示伝達するための力覚呈示機構が、ユーザを接続するための操作機器と、その操作機器を装着するための運動プラットホームと、その運動プラットホームを支持する６つのリンクセットと、各リンクセットを独立して駆動する６つの駆動装置と、６つの−センサとを備えた６軸のフォースフィードバックを有する力覚インターフェイス装置が開示されている。【０００８】  ところで、加速度センサは、質量を持つ物体の加速度を検出する装置であり、例えば、ロボットの姿勢制御や、自動車のエアバッグの衝突検知などに用いられている。また、角速度センサ（例えばジャイロセンサ）は、質量を持つ物体が回転する角速度を検出する装置であり、例えば、産業用ロボットや、自動車の横転検出などに用いられる。これら加速度センサおよび角速度センサは、物体に加えられた力（外力）を検���する力覚センサに対して物体の動きから生ずる慣性力を検出する装置（運動センサ）である。【０００９】  ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の各加速度を検出するために、例えば、３個の１軸加速度センサをそれぞれ直交する方向に配置する必要がある。また、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の回転方向の各角速度を検出するためにも、１軸加速度センサが３個必要となる。従って、３軸加速度と３軸角速度を同時に検出する６軸運動センサが求められている。【００１０】  なお、本願では、加速度センサ及び角速度センサの上位概念として運動センサを説明する。すなわち、運動センサは、加速度及び／または角速度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−２７４５７３号公報
【特許文献２】特開平９−３１８４６９号公報
【特許文献３】特開平５−１４９８１１号公報
【特許文献４】特開平９−１３１６９０号公報
【特許文献５】特開２０００−１４８３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  以上述べたような従来の力覚または運動センサにおいては、感度が十分でない、信頼性が劣る力覚制御が困難、構造が複雑で製造コストが多大、合成力の検出が不可、などの問題点があった。そこで、本発明による力覚または運動センサにおいては、感度及び信頼性が高く、構造がより簡単で製造コストの安価な力覚または運動センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  上記課題を解決するため本発明による力覚または運動センサにおいては、センサを保持し固定するためのベースと、６自由度方向の応力に感応するよう構成され前記ベースと対向して配置されたテーブルと、前記ベースと前記テーブルとの間に配置され前記応力に対応して動作する動作部と、前記動作部の変位及び／または変形を検出する複数の検出素子と、前記各々の検出素子の変位及び／または変形量を総合的に計算する演算部とからなるセンサにおいて、前記動作部は放射状に配置された複数の感応アームとこれらアームを支持するボス部とからなることを特徴とする。【００１４】  前記ボス部は前記複数のアームよりも肉厚に構成されていることが望ましく、前記アームの数は６本であることが好適である。【００１５】  前記ボス部の前記各アームとの接続部間に、前記ボス部の厚さ方向に溝が設けられていることはさらに好適である。【００１６】  前記演算部は回路基板上に形成されており、この回路基板は前記ボス部より吊り下げられていることが望ましい。【００１７】  前記テーブルと前記動作部とは前記各アームを通して６自由度方向に回動自在に構成された応力伝達部により連結されており、この応力伝達部は第１軸受及び第２軸受、並びにこれら第１軸受と第２軸受を接続する連結板からなり、さらに前記第１及び第２軸受にはそれぞれ弾性部材が介在していることも好適である。【００１８】  前記第１軸受及び／または第２軸受はボール部と軸受部よりなるボールジョイントであり、前記弾性部材はボール部と軸受部との間に介在していることが好ましい。また、前記弾性部材には凸部が形成され、前記ボール部及び／または軸受部には凹部が形成され、これら凸部と凹部とが互いに嵌合するよう配置されていることが望ましい。【００１９】  あるいは、前記第１軸受及び／または第２軸受として、前記ロッドに設けられ周囲に凹凸を有するジャーナル部、及び前記アームに設けられ周囲に凹凸を有する貫通孔からなり、前記弾性部材は前記ジャーナル部及び前記貫通孔との間に配置されている構成を用いることもできる。
【発明の効果】
【００２０】  本発明によれば、肉厚のボス部を用いることにより応力によるアームの変形を受け止め、応力除去後のアームの復帰を確実にすることができる。また、回路基板をボス部に固定した回路基板支持プレートから懸架することにより、回路基板が応力により変形して計測値に誤差が生ずることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００２１】  以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例について説明する。図１は、本発明による力覚センサの一実施例の断面図である。まず、この実施例のセンサの外形的には、このセンサの支持基体となるベース１と実際に応力を受けるテーブル３０とからなる。ベース１とテーブル３０との間には、塵などの異物や水の侵入を防止するためのゴム等の弾性体によるカバー２４を設けることが望ましい。【００２２】  内部構成としては、ベース１上に６本の短冊状アーム１０が一体形成されたボス部２５が固定されている。このアームの形状は図４に示したものとほぼ同様である。このボス部２５の上部には回路基板支持プレート２２が配置されボス部２５と同時にアーム固定ネジ６によりベース１に固定されている。基板支持プレート２２には複数のスペーサ８が接続されており、検出素子及び演算部が設けられた回路基板９を基板固定ネジ７によりアーム１０下方に位置決め固定している。図には示してないが、回路基板９上には６個のセンサ（例えば渦電流素子や静電容量素子）がアーム１０に対向した位置（約０．３ｍｍ程度の間隔）に配置され、同じく回路基板９上に構成された駆動回路により駆動される。応力検出に際してはセンサとアーム１０の位置関係が重要となるため、アーム仮位置決めピンＡ４及びＢ５を用いてベース１に対する位置関係を予め規制した上でアーム固定ネジ６により固定する。また、ベース１の側壁２１には段部３が設けてあり、アーム１０に過負荷が印加された場合にこの段部３によりアーム１０を支持する過負荷保護手段としての機能を有する。【００２３】  各アーム１０は、第１軸受１１、第２軸受１６及び軸受連結板４０よりなる応力伝達部によりテーブル３０と連結されている。図２にこの応力伝達部の拡大図を示した。第２軸受１６は２自由度を備えていることが望ましく、この実施例においてはボールジョイントを配置している。この第２軸受１６のロッド２０はアーム１０に対して垂直に設置されている。一方第１軸受１１は３自由度を備えていることが望ましく、この実施例においてはやはりボールジョイントを利用している。この第１軸受１１もテーブル３０に対して垂直に設置され、ロッド１５はまっすぐ下方に延出されている。第１軸受１２と第２軸受２０は剛性をもって連結されなければならないため、軸受連結板４０を用いて連結される。ロッド１５及び２０を軸受連結板４０に固着するためには、例えばロッドを軸受連結板４０のロッド穴４８に挿入した上で、その開口部においてロッドカシメ用突起を外側に潰してカシメることにより固着することができる。直線状ロッドを使用すれば第１軸受１１と第２軸受１６とを直線的に結合できるが、その代わりテーブル３０及びアーム１０に対して傾斜させて設置する必要が出てくる。このセンサには６本のアームがあり、それぞれにおいて軸受を傾斜させて取り付けるのは至難である。軸受連結板４０を用いて第１軸受１１と第２軸受１６とをクランク状に連結することにより、剛性を損なうことなく容易に各軸受を取り付けることが可能となる。【００２４】  本実施例に用いたボールジョイントは、ボール部１２及び１７表面にゴム等の弾性体４４を被覆しておき、ホルダー１３、１４及び１８、���９に対して圧縮結合させることにより、ボール部とホルダーとのガタをなくすことができる。ただし、ゴム等の弾性部材は体積圧縮率が小さいため、弾性部材逃げ用スペース４６をホルダー内に設けておく必要がある。この構成により、ボール部１２及び１７及びホルダー１３、１４及び１８、１９はゴム４６の弾性のみにより応力伝達することになる。ゴム４６がボール部またはホルダーに対して滑ることを防止するため、ゴム４６とボール部及びホルダーとに凹凸を形成しておき、相互に嵌合させても良い。【００２５】  第１軸受１１及び第２軸受１６をそれぞれテーブル３０及びアーム１０に固着する方法としては、ネジ等を用いることも可能であるが、本実施例においてはカシメにより固着する方法を使用した。各軸受は第１外径部３１、第２外径部３２及び第３外径部３３からなり、第２外径部３２がテーブル３０またはアーム１０の軸受収納穴に適合する径に形成されている。軸受をこの収納穴に挿入すると、第１外径部３１と第２外径部３２の境界のホルダー段部４１により係止され、カシメ用突起４２を外側に返すことにより、テーブル３０またはアーム１０の軸受収納穴に固着することができる。【００２６】  図３には、軸受として別のボールジョイントを用いた実施例を示した。（ａ）が軸受の断面図、そして（ｂ）がボール部１２の説明図である。この実施例においては、Ｏリング状の弾性部材４４を用い、ボール部１２上に形成した弾性部材収納溝４７及びホルダーに設けた溝にこの弾性部材４４を収納することにより、やはりゴムの弾性力による軸受で力を伝達することができる。【００２７】  図４には、さらに別の軸受を用いた実施例を示した。（ａ）は応力伝達部の平面図、（ｂ）はテーブル３０とアーム１０との接続を示す断面図である。ボス部２５からは６本のアーム１０が延出されており、各アーム１０先端部に軸受取付部５１が形成されている。この軸受取付部５１はアーム１０を貫通する穴であるが、周囲に凹凸が形成されている。この実施例においては軸受としてボールジョイントを使用せず、ジャーナル部材６１，６２と弾性部材４４とを使用している。ジャーナル部材はジャーナル部材Ａ及びＢからなり、小径部６７において弾性部材４４を介してテーブル３０またはアーム１０と連結されている。ジャーナル部材Ａ６１及びＢ６２は溝部６６により結合される。これら２つの軸受が軸受連結板により接続されているのは図２に示したボールジョイントの実施例の場合と同じである。ジャーナル部材Ａ６１及びＢ６２にも凹凸部を設けることにより、弾性部材は２つのジャーナル部材とテーブル３０またはアーム１０の軸受取付部５１との間に係止され、固定される。この実施例の場合も、やはりゴムの弾性力による軸受で力を伝達することができる。【００２８】  図５は、上記図４に示したジャーナル型軸受の別の実施例を示す。図５はアーム１０との連結を示す図であり、（ａ）が側面断面図、（ｂ）が平面断面図である。この実施例の軸受も、図４の場合と同様にジャーナル部材Ｃ６３と弾性部材４４とを使用している。ただし、ジャーナル部材Ｃ６３は多角形に形成されており、表面に複数の凹凸が設けられている。この実施例の場合も、やはりゴムの弾性力による��受で応力を伝達することができる。【００２９】  上述の実施例においては、回路基板９上に渦電流素子や静電容量素子等のセンサを配置して力覚センサとしたが、テーブルが外部の物体に触れない状態で検出した力やモーメントをテーブルの質量や慣性能率で除する演算を行こなえば、加速度を知ることが出来るので、運動センサとして使用することができる。更に、各出力を積分した演算結果で速度や角速度を表示することもできる。更に積分すれば、距離や角度も表示できる。【００３０】  以上、本発明による力覚または運動センサについて説明したが、本発明の精神を逸脱しない範囲において多くの改変をなし得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】  本発明によれば、肉厚のボス部を用いることにより応力によるアームの変形を受け止め、応力除去後のアームの復帰を確実にすることができる。また、回路基板をボス部に固定した回路基板支持プレートから懸架することにより、回路基板が応力により変形して計測値に誤差が生ずることを防止できる。従って、力覚及び運動センサ分野において大いに貢献できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による力覚または運動センサの実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示した実施例における応力伝達部の詳細示した断面図である。
【図３】図１とは別のボールジョイント型軸受を示す説明図である。
【図４】ジャーナル型軸受を用いた実施例における動作部を示す図である。
【図５】ジャーナル型軸受の別の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３３】１      ベース
２      センサ取付けネジ
３      過負荷保護手段
４      アーム仮位置決めピンＡ
５      アーム仮位置決めピンＢ
６      アーム固定ネジ
７      基板固定ネジ
８      スペーサ
９      回路基板
１０    アーム
１１    第１軸受
１２    第１ボール部
１３    第１ホルダーＡ
１４    第１ホルダーＢ
１５    第１ロッド
１６    第２軸受
１７    第２ボール部
１８    第２ホルダーＡ
１９    第２ホルダーＢ
２０    第２ロッド
２１    ベース壁部
２２    回路基板支持プレート
２３    センサ取付用穴
２４    カバー
２５    ボス部
２６    アーム固定用ネジ穴
３０    テーブル
３１    第１外径部
３２    第２外径部
３３    第３外径部
４０    軸受連結板
４１    ホルダー段部
４２    カシメ用突起部
４３    封止用突起部
４４    弾性部材
４５    ロッドカシメ用突起
４６    弾性部材逃げ用スペース
４８    ロッド穴開口部
５１    軸受取付部
５２    アーム仮位置決め用穴Ａ
５３    アーム仮位置決め用穴Ｂ
５４    アーム固定用穴
５５    アーム分離溝
６１    ジャーナル部材Ａ
６２    ジャーナル部材Ｂ
６３    ジャーナル部材Ｃ
６４    アーム凹部
６５    ジャーナル凹部
６６    溝部
６７    小径部
【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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