(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝撃力の作用によって互いの間隔が変化する方向に変位可能な一対の相対する基板と、これらの基板間に介設された少なくとも一つの吸収検出機構とを含み、この吸収検出機構が、上記両基板間に作用する衝撃力を弾性力によって吸収する衝撃吸収手段と、両基板間の力を検出する力検出手段とを一体に備え、
上記一対の基板のうち一方の基板が、複数の側辺に、弧状の凹部とこの凹部の内周面の一部に形成された突条とを有すると共に、他方の基板が、上記凹部に嵌合して突条に接触する柱状のストッパを有し、
これらの凹部及び突条とストッパとによって、上記基板がＺ軸回りの相対的な変位とＸ軸方向及びＹ軸方向への相対的な変位を規制されると共に、Ｚ軸方向への相対的な変位とＸ軸及びＹ軸回りの相対的な変位については自由度を有するように配設されている、
ことを特徴とする低剛性力検出装置。
【請求項２】
上記衝撃吸収手段が、ゴム弾性を有する柱状の低剛性部材により形成されると共に、力検出手段が、上記低剛性部材の長さ方向の歪みに応じた力を検出する変位センサーにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の低剛性力検出装置。
【請求項３】
上記衝撃吸収手段が両基板間に形成されて作動流体が封入された圧力チャンバーであり、また力検出手段が、この圧力チャンバー内の圧力を力として検出する圧力センサーであることを特徴とする請求項１に記載の低剛性力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低剛性力検出装置に関するものであり、特に、脚式ロボットの姿勢の安定制御を行うために、この脚式ロボットの足部と接地面との間の力やトルク等の計測を行う場合などに好適に利用することができる、低剛性力検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ロボットマニピュレータにより外部へ加えられる力や脚式ロボットの接地力等を計測するため、従来より、比較的剛性の高い機構に例えば歪ゲージを貼り付けて応力を計測し、それによって力やトルク等を検出するようにした力検出装置が用いられている。この検出装置は、ロボットの高精度な位置や力の制御を実現するため従前より、ロボット全体の剛性を大幅に低くすることなく力を検出できる装置及びシステムが求められてきたことから、このような要求に合致したものであった。
【０００３】
ところが、上述した従来の技術の問題点は、大きな衝撃力が作用したとき力検出装置が破損し易いという点である。特に、この力検出装置を脚式ロボットの接地力計測に利用した場合、ロボットの全体重及び衝突速度に比例する力が検出装置に作用するため、この力検出装置が破損する可能性は高く、頻繁な交換を必要とする。
【０００４】
一方で、一部のロボット、特に脚式ロボットの場合に、リンクと外部環境が衝突するときの衝撃力を吸収するため、例えばゴムブッシュ機構等の低剛性の衝撃力吸収機構を備える方式及びシステムが使われるようになり、有望な装置となりつつある。このような機構を用いる場合、機構全体の剛性は相対的に低くなるので、従来のような高剛性の力検出機構を用いる必要性は低くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的課題は、衝撃吸収手段と力検出機構とを一体化して使用することにより、大きな衝撃力が作用した場合でも力検出機構の破損を生じるおそれがない、低剛性力検出のための技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明によれば、衝撃力の作用によって互いの間隔が変化する方向に変位可能な一対の相対する基板と、これらの基板間に介設された少なくとも一つの吸収検出機構とを含み、この吸収検出機構が、上記両基板間に作用する衝撃力を弾性力によって吸収する衝撃吸収手段と、両基板間の力を検出する力検出手段とを一体に備え、上記一対の基板のうち一方の基板が、複数の側辺に、弧状の凹部とこの凹部の内周面の一部に形成された突条とを有すると共に、他方の基板が、上記凹部に嵌合して突条に接触する柱状のストッパを有し、これらの凹部及び突条とストッパとによって、上記基板がＺ軸回りの相対的な変位とＸ軸方向及びＹ軸方向への相対的な変位を規制されると共に、Ｚ軸方向への相対的な変位とＸ軸及びＹ軸回りの相対的な変位については自由度を有するように配設されていることを特徴とする低剛性力検出装置が提供される。
【０００７】
このような本発明の低剛性力検出装置によれば、衝撃吸収手段で衝撃力を吸収しながら両基板間に加わる力を力検出手段で検出するようにしているため、大きな衝撃力が作用した場合でも検出装置が破損するおそれがない。
【００１１】
本発明の一つの具体的な実施形態によれば、上記衝撃吸収手段が、ゴム弾性を有する柱状の低剛性部材で形成されると共に、力検出手段が、この低剛性部材の長さ方向の歪みに応じた力を検出する変位センサーで形成される。
【００１２】
本発明の他の具体的な実施形態によれば、上記衝撃吸収手段が、両基板間に形成されて作動流体が封入された圧力チャンバーであり、また力検出手段が、この圧力チャンバー内の圧力を力として検出する圧力センサーである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の低剛性力検出装置の第１実施例を原理的に示すもので、この検出装置１Ａは、相対する一対の基板２ａ，２ｂと、これらの基板２ａ，２ｂ間に介設された吸収検出機構３とを有している。
【００１５】
上記両基板２ａ，２ｂは、実質的に平行を保ったまま相互間の間隔が変化する方向に変位自在なるように配設されている。換言すれば、これらの基板２ａ，２ｂは、それらと直交するＺ軸方向に相対的に変位自在で、その他の方向、即ち、基板２ａ，２ｂと平行で互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向への相対的な変位と、Ｘ軸とＹ軸及びＺ軸の回りの回転方向変位に対しては、図示しないストッパー等の手段で規制されることによって剛性が高められている。しかし、Ｘ軸及びＹ軸回りの変位については、若干の自由度を持っていても良い。
【００１６】
一方の上記吸収検出機構３は、衝撃吸収手段４と力検出手段５とを一体化することにより形成されている。このうち衝撃吸収手段４は、ゴムブッシュのようなゴム弾性を有する中空円柱状の低剛性部材１０により形成されていて、この低剛性部材１０が上記両基板２ａ，２ｂ間に取り付けられ、その長さ方向の弾性歪みによって両基板２ａ，２ｂ間に作用する衝撃力を吸収するものである。また、上記力検出手段５は、直線方向の変位を計測できる変位センサー１１からなっていて、この変位センサー１１が、上記低剛性部材１０の内部に収容されると共に、その両端がボールジョイント１２，１２を介して上記両基板２ａ，２ｂに連結され、この変位センサー１１で上記低剛性部材１０の長さ方向の歪みを計測することにより、両基板２ａ，２ｂ間に加わるＺ軸方向の直動力を検出できるように構成されている。この吸収検出機構３は複数設けることができる。
【００１７】
上記構成を有する低剛性力検出装置１Ａは、両基板２ａ，２ｂ間に作用する衝撃力を低剛性部材１０の弾性力によって吸収しながら、この低剛性部材１０の圧縮に伴う長さ方向の歪みを上記変位センサー１１で計測することにより、両基板２ａ，２ｂ間に加わる力を検出することができる。このため、両基板２ａ，２ｂ間に大きな衝撃力が作用した場合でも、検出装置が破損するおそれはない。
【００１８】
なお、上記低剛性部材１０は、ゴム弾性によって衝撃を吸収できるものであれば、その素材や形状あるいは中空か非中空かといったようなことは任意である。一方、変位センサー１１も、リニアポテンショメーターやリニアエンコーダーあるいはレーザ変位センサーなど、直線的な変位を検出できるものであればどのようなものでも良く、また、この変位センサーは必ずしも低剛性部材１０の内部に設ける必要はなく、その外部に配置することもできる。
【００１９】
図２及び図３は本発明の第２実施例を示すもので、この第２実施例の検出装置１Ｂが上記第１実施例の検出装置１Ａと相違する点は、吸収検出機構３の衝撃吸収手段４が圧力チャンバー１５により形成されると共に、力検出手段５が圧力センサー１６により形成されているという点である。即ち、実質的に平行に配置された一対の基板２ａ，２ｂの間には、ゴムや合成樹脂のような非通気性と柔軟性と好ましくはゴム弾性とを備えた素材で形成された外皮１７が取り付けられ、この外皮１７内に空気や水、油等の作動流体が封入された上記圧力チャンバー１５が形成されている。また、一方の基板２ａには、上記圧力チャンバー１５の圧力を力として検出する上記圧力センサー１６が取り付けられていて、この圧力センサー１６と圧力チャンバー１５とが連通路１５ａで結ばれている。
【００２０】
この検出装置１Ｂにおいては、両基板２ａ，２ｂ間に作用する衝撃力を上記圧力チャンバー１５の弾性変形によって吸収しながら、この圧力チャンバー１５内の圧力を圧力センサー１６で計測することにより、上記両基板２ａ，２ｂの間に作用する直動変位方向の力を検出することができる。
【００２１】
図４は本発明の第３実施例を示すもので、この第３実施例の検出装置１Ｃは、回転方向の力を検出するように構成されている点で、上記第１実施例と相違している。即ち、二つの基板２ａ，２ｂが、Ｘ軸を中心にして相互間の角度（間隔）が変わる方向に相対的に変位自在なるように配設され、これらの基板２ａ，２ｂの間に、衝撃吸収手段４と力検出手段５とが一体になった吸収検出機構３が少なくとも一つ介設されている。上記基板２ａ，２ｂは、Ｘ軸の位置で互いに連結されているとは限らない。
【００２２】
上記衝撃吸収手段４は、ゴム弾性を有する中空円柱状の低剛性部材２０からなっていて、その両端は、両基板２ａ，２ｂの傾斜に合わせて斜めにカットされている。また、上記力検出手段５は、回転方向の変位を計測できる変位センサー２１からなっていて、この変位センサー２１が、上記低剛性部材２０の内部に収容されると共に、その両端がボールジョイント２２，２２を介して上記両基板２ａ，２ｂに連結され、この変位センサー２１で上記低剛性部材２０の回転方向の歪みを計測することにより、両基板２ａ，２ｂ間に加わる回転方向の力即ちトルクを検出できるように構成されている。それ以外は実質的に第１実施例と同様である。
【００２３】
なお、この第３実施例においても、上記低剛性部材２０は、ゴム弾性によって衝撃を吸収できるものであればその素材や形状等は任意である。また、変位センサー２１も、ロータリーポテンショメーターやロータリーエンコーダーなど、回転変位を検出できるものであればどのようなものでも良く、さらにこの変位センサー２１は、必ずしも低剛性部材２０の内部に設ける必要はなく、外部に配置することもできる。
【００２４】
図５は本発明の第４実施例を示すもので、この第４実施例の検出装置１Ｄが上記第３実施例の検出装置１Ｃと異なる点は、衝撃吸収手段４が圧力チャンバー２５により形成されると共に、力検出手段５が圧力センサー２６により形成されている点である。即ち、Ｘ軸を中心に回転方向に変位自在の一対の基板２ａ，２ｂの間には、非通気性と柔軟性と好ましくはゴム弾性とを備えた素材からなる外皮２７が取り付けられ、この外皮２７内に空気や水、油等の作動流体が封入された上記圧力チャンバー２５が形成されている。また、一方の基板２ａ，２ｂには、上記圧力チャンバー２５の圧力を力として検出する上記圧力センサー２６が取り付けられていて、この圧力センサー２６と圧力チャンバー２５とが連通路２５ａで結ばれている。それ以外は実質的に第２実施例と同様である。
【００２５】
この検出装置１Ｄにおいても、両基板２ａ，２ｂ間に作用する衝撃力を圧力チャンバー２５の弾性力により吸収しながら、この圧力チャンバー２５内の圧力を圧力センサー２６で計測することにより、上記両基板２ａ，２ｂの間に作用する回転方向の力を検出することができる。
【００２６】
図６は本発明の第５実施例を示すもので、この検出装置１Ｅは、第１及び第２の二つの基板２ａ，２ｂの間に複数の吸収検出機構３を設けたものである。この例では、両基板２ａ，２ｂの間に４組の吸収検出機構３が、４角形の４隅に位置するような位置関係に設置されている。これらの吸収検出機構３は、第１実施例のように低剛性部材１０と変位センサー１１とを組み合わせたものでも、第２実施例のように圧力チャンバー１５と圧力センサー１６とを組み合わせたものでも良く、また、それらを併用しても良い。
【００２７】
上記第１の基板２ａの相対する一対の側辺の中央部には、それぞれ円弧状の凹部３０が形成され、これに対して第２の基板２ｂには、上記凹部３０に係合する円柱状のストッパー３１が設けられ、これらの凹部３０とストッパー３１とによって両基板２ａ，２ｂが、Ｚ軸の回りの相対的な回転と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への相対的な平行移動に対しては、それらの変位が規制されることによって高剛性を有するように構成されている。また、上記凹部３０の内周面の一部には、上記ストッパー３１の外周面に円弧接触する弧状の断面を有する突条３４が備えられている。従って両基板２ａ，２ｂは、Ｚ軸方向には相対的に変位自在であり、また、Ｘ軸回り及びＹ軸の回りの相対的な回転変位については、上記突条３４によってある程度の自由度が与えられ、剛性は若干低くなっている。図中３２は制御装置で、上記吸収検出機構３からの検出信号を受けて力あるいはトルクを算出すると共に、ロボット等の制御信号を得るものである。このような制御装置は、上記第１〜第４実施例の検出装置にも設けられる。
【００２８】
上記構成を有する検出装置１Ｅは、例えば脚式ロボットの足部の機構に使用するのに適している。そして、吸収検出機構３が低剛性部材１０と変位センサー１１とを組み合わせたものである場合には、低剛性部材１０の変形による長さの変化を変位センサー１１で計測することにより、また、吸収検出機構３が圧力チャンバー１５と圧力センサー１６とを組み合わせたものである場合には、この圧力チャンバー１５内の圧力を圧力センサー１６で計測することにより、上記両基板２ａ，２ｂの間に加わる力を検出することができる。
【００２９】
この場合、足底の応力分布を台形近似してＺ軸方向の力、即ち鉛直力を求めるとすると、この鉛直力Fzは、
Fz＝α（P1＋P2＋P3＋P4)
により求めることができる。ここに、αは比例係数、P1，P2，P3，P4はそれぞれ４組の吸収検出機構３で計測された力である。
また、Ｘ軸及びＹ軸の回りのモーメントMx，Myは、
Mx＝β（P1−P3）
My＝β（P2−P4）
により求めることができる。
【００３０】
更に、高剛性方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働く水平力Fx，Fyは、例えばストッパー３１に歪ゲージ３３を貼り付け、従来と同じ手法によって計測することが可能である。また、高剛性回転成分である鉛直軸（Ｚ軸）の回りのトルクについても、同様にストッパーに貼り付けた歪ゲージによって計測可能である。このように得られた力及びトルク情報を制御装置３２に取り込み、所望の各種制御を行なうことができる。
【００３１】
かくして第５実施例の検出装置１Ｅは、脚式ロボットの脚部のように、鉛直方向には衝撃力を吸収する必要があるが、水平方向にはその必要がない代わりに高剛性を求められるといったように、異方性の特性を必要とする場所に好適に使用することができる。あるいは、脚式ロボット以外であっても、ある軸方向には低剛性を、他の軸方向には高剛性を必要とする機構に用いることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上に詳述したように本発明によれば、衝撃吸収手段と力検出手段とを一体化して使用することにより、大きな衝撃力が作用した場合でも破損するおそれのない低剛性力検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る低剛性力検出装置の第１実施例を概略的に示す斜視図である。
【図２】同じく第２実施例を示す斜視図である。
【図３】図２の断面図である。
【図４】本発明に係る低剛性力検出装置の第３実施例を概略的に示す斜視図である。
【図５】同じく第４実施例を示す斜視図である。
【図６】同じく第５実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ      低剛性力検出装置
２ａ，２ｂ      基板
３      吸収検出機構
４      衝撃吸収手段
５      力検出手段
１０，２０      低剛性部材
１１，２１      変位センサー
１２，２２      ボールジョイント
１５，２５      圧力チャンバー
１６，２６      圧力センサー
３０      凹部
３１      ストッパー
３２      制御装置
３３      歪ゲージ
３４      突条
【図１】
0004109456.tif 000002
【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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