JP2017058337A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】力覚センサのセンサ構造体のモーメントに対する十分な剛性を確保する。【解決手段】本発明の実施形態による力覚センサは、力の作用を受ける荷重作用部２０と、荷重作用部２０が同軸に接続される中心軸部２１と、中心軸部２１から半径方向に放射状に伸びる少なくとも３本以上の測定梁部２２と、中心軸部２１の軸方向に荷重作用部２０側に間隔を隔てて配置され、中心軸部２１から半径方向に放射状に伸びる少なくとも３本以上の支持梁部２４と、測定梁部２２と支持梁部２４の各々端部同士を連結し構造体の固定部１９に密着する連結部２３と、を備えており、さらに、荷重作用部２０に作用する力による測定梁部２２の変形を検出する変形検出センサ２７、２８を有している。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、例えば、ロボットの脚部や手先に作用する複数軸方向の並進力およびモーメントを測定するための力覚センサに関する。

産業用ロボットなどのマニピュレータの運動性能の向上は著しく、かなりの複雑な動作を実現できるようになってきており、単純作業から、複雑な動作の要求される作業へと用途はますます拡大している。様々な物を対象として、掴んだり、運んだり、あるいは直立歩行、階段の上り降りといった動作をより柔軟に実現するために、従来から、ロボットの手先、あるいは手首、脚部に力感覚を付与する力覚センサが設けられている。

力覚センサを備えたロボットには、２足で歩行するロボットや、４脚以上の脚部を有する多脚歩行ロボットがある。この種の多脚歩行ロボットには、階段の登り降りができたり、障害物を自力で乗り越えられるものがある。多脚歩行ロボットでは、各脚先に力覚センサを配置することで、各脚部にかかる荷重を正確に検出して重心位置の演算を行い、歩行中に転倒しないように重心位置制御を行っている。

この種の力覚センサは、並進力とモーメントを弾性歪に変換して検出するセンサであるが、センサ構造体の構成によって、検出精度、強度が変わってくる。一般的には、検出精度を上げるには、センサ構造体を撓みやすくするが、その一方でセンサ構造体には剛性も要求される。

近年では、６軸方向の並進力とモーメントを測定可能な力覚センサが開発されており、例えば、十字構造の起歪アームを二段重ねに配置し、十字構造の端部を連結してモーメントにより起歪アームを撓み易い構造とすることで、センサ構造体の小型化と６軸方向の並進力とモーメントの測定精度向上を図った力覚センサが知られている。

特許第３４５９９３９号

力覚センサの組み込まれたロボットの中には、その構造・機能から大きなモーメントの作用が不可避であるものがある。その代表例である多脚歩行ロボットの場合、ロボット本体の重量を脚部で支えるために、歩行時には床面からの衝撃や大きなモーメントが各脚部に作用することになる。各脚部に組み込まれている力覚センサにも当然大きなモーメントが作用する。

歩行機能上、各脚部が比較的細くなっている多脚歩行ロボットでは、力覚センサにとってモーメントが過大となり、耐えることができずに破損することがある。

他方、歩行時に作用するモーメントの大きさに合わせて、モーメントにも耐え得る大型のセンサを用いることが考えられるが、この場合には、センサが実用的な太さの脚の大きさに収まらなくなる場合があった。

本発明は、前記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであって、モーメントに対する十分な剛性を確保できるようにした力覚センサを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の実施形態による力覚センサは、マニピュレータの構造体に作用する互いに直交する３軸方向の力および各軸回りのモーメントのうち、少なくとも一つ以上を測定する力覚センサにおいて、力の作用を受ける荷重作用部と、
前記荷重作用部が同軸に接続される中心軸部と、前記中心軸部から半径方向に放射状に伸びる少なくとも３本以上の測定梁部と、前記中心軸部の軸方向に前記荷重作用部側に間隔を隔てて配置され、前記中心軸部から半径方向に放射状に伸びる少なくとも３本以上の支持梁部と、前記測定梁部と前記支持梁部の各々端部同士を連結し前記構造体の固定部に密着する連結部と、前記荷重作用部に作用する前記力による前記測定梁部の変形を検出する変形検出センサと、を有することを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、モーメントに対する十分な剛性を確保できる。

本発明の実施形態による力覚センサが適用される多脚歩行ロボットの概要を示す側面図である。 図１の多脚歩行ロボットの脚部に組み込まれた力覚センサを示す断面図である。 本発明の第１実施形態による力覚センサを示す斜視図である。 本発明の第２実施形態による力覚センサをＸ軸方向からみて測定梁部と支持梁部を示した図である。 本発明の第３実施形態による力覚センサをＸ軸方向からみて測定梁部と支持梁部を示した図である。 本発明の４実施形態による力覚センサをＸ軸方向からみて測定梁部と支持梁部を示した図である。 本発明の第５実施形態による力覚センサをＸ軸方向からみて測定梁部と支持梁部を示した図である。 本発明の第６実施形態による力覚センサをＺ軸方向からみて測定梁部と支持梁部の位置関係を示した図である。 本発明の第７実施形態による力覚センサを示す斜視図である。 図１の多脚歩行ロボットの脚部に組み込まれた第８実施形態による力覚センサを示す断面図である。 第８実施形態による力覚センサにおける変位センサの配置を説明する図である。

以下、本発明による力覚センサの実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態による力覚センサが適用される多脚歩行ロボットを示す。この多脚歩行ロボット１０は、４足で歩行するロボットである。ロボット本体１２は、複数の関節をもった脚部１４によって支持されている。

各脚部１４の先端にある脚先部１５は、床面１３（地面）に着くと、ロボットの自重の反力を荷重として受ける。この多脚歩行ロボット１０の各脚先部１５の付け根には、それぞれ力覚センサ１６が組み込まれている。歩行ロボット１０では、各力覚センサ１６によって、各脚先部１５にかかる並進力やモーメントを正確に検出して重心位置の演算を行い、歩行中に転倒しないように重心位置制御を行っている。このような重心位置制御により、多脚歩行ロボット１０は、平地を歩行できるだけでなく、階段を登り降りしたり、障害物を自力で乗り越えられるように構成されている。

次に、図２並びに図３を参照しながら、本実施形態による力覚センサ１６の構造について説明する。図２は、歩行ロボット１０の脚部１４の先端部に組み込まれた力覚センサ１６の縦断面を示す図である。
図２に示されるように、脚部１４の先端部は中空の構造部材になっており、センサ本体１８を固定する固定部１９が形成されている。センサ本体１８は、この固定部１９の内径部に嵌合させるようにして固定されている。

脚先部１５の端面には曲面が形成され、脚先部１５は床面１３とこの曲面を介して着地するようになっている。脚先部１５とセンサ本体１８とは、径の細くなった同軸の荷重作用部２０を介して接続されている。

次に、図３は、力覚センサ１６のセンサ本体１８の構造を示す斜視図である。
力覚センサ１６では、脚先部１５からかかる力（荷重）、モーメントの方向を特定するために、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３次元の座標系が図３に示されるように設定されている。この場合、脚部１４の長さ方向にＺ軸が延び、脚部１４の長さ方向に垂直な平面がＸ−Ｙ平面である。

力覚センサ１６のセンサ本体１８は、その中心にある柱状の中心軸部２１と、中心軸部２１の一端部側から放射状に延び、歪の測定面を有する測定梁部２２ａ乃至２２ｄと、中心軸部２１の他端部側から放射状に延びる支持梁部２４ａ乃至２４ｄと、測定梁部２２ａ乃至２２ｄの各々と支持梁部２４ａ乃至２４ｄの各々を連結する連結部２３ａ乃至２３ｄと、から構成されている。このようなセンサ本体１８の材料は、例えば、アルミニウムやアルミ合金などが用いられている。

この第１実施形態では、中心軸部２１は、８角柱の形状を有しており、この中心軸部２１からは、各々同一長さの測定梁部２２ａ乃至２２ｄが、Ｘ−Ｙ平面と平行に十字をなして等角に延びるように配置されている。このうち測定梁部２２ａ、２２ｃは、Ｘ軸と平行であり、残りの測定梁部２２ｂ、２２ｄは、Ｙ軸と平行である。

支持梁部２４ａ乃至２４ｄはそれぞれ、測定梁部２２ａ乃至２２ｄと同じ長さを有し、荷重作用部２０側にＺ軸方向に位置をずらして、支持梁部２４ａ乃至２４ｄと同位相でＸ−Ｙ平面と平行に十字をなして等角に延びるように配置されている。

連結部２３ａ乃至２３ｄはそれぞれ、Ｚ軸方向と平行に配置され、各測定梁部２２ａ乃至２２ｄと支持梁部２４ａ乃至２４ｄとを連結するようになっている。

センサ本体１８には、荷重作用部２０を介して作用する荷重による測定梁部２２ａ乃至２２ｄの変形を検出する変形検出センサが測定梁部２２および中心軸部２１の少なくともいずれかに設けられる。

本実施形態での変形検出センサは、特に、荷重作用部２０を介して作用する荷重による測定梁部２２ａ乃至２２ｄの変形である弾性歪（撓み）を検出する歪検出部としての歪センサ部であり、これらが各測定梁部２２ａ乃至２２ｄに次のように配置されている。これらの歪センサ部には、例えば、歪ゲージが用いられている。

各測定梁部２２ａ乃至２２ｄは、上面と下面（Ｘ−Ｙ平面に平行な面）、左右の各側面（Ｘ−Ｚ平面に平行な面）というように合計４面の測定面を有し、上面と下面、左右の各側面がそれぞれ一対をなしている。本実施形態にかかる力覚センサにおいては、対をなす上面と下面、左右の各側面のそれぞれに対となる２つの歪ゲージが設けられる。

図３では、各測定梁部２２ａ乃至２２ｄの上面の測定面２５ａ乃至２５ｄと、一方の側面の測定面２６ａ乃至２６ｄが示されているが、図３では見えない下面および他方の側面は、測定面２５ａ’乃至２５ｄ’、測定面２６ａ’乃至２６ｄ’というように「‘」を標記して区別するものとする。測定面２５ａ乃至２５ｄに配置されているのが歪センサ部２７ａ乃至２７ｄであり、下面の測定面２５ａ’乃至２５ｄ’に配置されているのが歪センサ部２７’ａ乃至２７’ｄである。

同様に、各測定梁部２２ａ乃至２２ｄの一方の側面の測定面２６ａ乃至２６ｄには、歪センサ部２８ａ乃至２８ｄが配置されており、他方の側面の測定面２６ａ’乃至２６ｄ’には歪センサ部２８ａ’乃至２８ｄ’が配置されている。

このようなセンサ本体１８に荷重作用部２０を介して（＋）Ｘ軸方向の並進力が作用する場合には、測定面２６ｂ、２６ｄは伸びるのに対して、反対側の測定面２６ｂ’、２６ｄ’は縮むことになる。（−）Ｘ軸方向の並進力が作用する場合には、測定面２６ｂ、２６ｄは縮むのに対して、反対側の測定面２６ｂ’、２６ｄ’は伸びることになる。したがって、これらの測定面に配置した歪センサ部２８ｂ、２８ｂ’、２８ｄ、２８ｄ’は、Ｘ軸方向の力の大きさに比例して電圧が変化するので、これらの歪センサ部２８ｂ、２８ｂ’、２８ｄ、２８ｄ’を公知の回路接続によりホイートストンブリッジを構成して、その電圧を測定することでＸ軸方向の並進力を検出することができる。

同様に、Ｘ軸回りのモーメントが荷重作用部２０を介してセンサ本体１８に作用する場合には、測定面２５ｂ、２５ｂ’、２５ｄ、２５ｄ’が変形するので、これらの測定面に配置した歪センサ部２７ｂ、２７ｂ’、２７ｄ、２７ｄ’でホイートストンブブリッジを構成してその電圧を測定することで、Ｘ軸回りのモーメントを策定することができる。

Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の並進力、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向回りのモーメントについても同様の測定原理によって測定することができるので、表１に、６軸方向のすべての力、モーメントについて測定面と歪センサ部の組み合わせを示す。

なお、Ｚ軸方向の並進力については、歪センサ部２８ｂ、２８ｂ’、２８ｄ、２８ｄ’の組み合わせによっても測定できる、Ｚ軸回りのモーメントにもついても、歪センサ部２７ｂ、２７ｂ’、２７ｄ、２７ｄ’によっても測定できる。測定対象が異なり、歪センサ部の組み合わせが同じ場合はホイートストンブリッジの構成が異なる。すなわち、本実施形態においては、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの方向に対して、２つで一対となる歪ゲージの対が２対ずつ、つまりそれぞれ合計４つの歪ゲージが設けられて、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の並進力とこれらの軸周りのモーメントを測定するように構成されている。

本実施形態による力覚センサは、以上のように構成されるものであり、次に、その作用および効果について説明する。
本実施形態による力覚センサ１６では、センサ本体１８が、測定梁部２２ａ乃至２２ｄと支持梁部２４ａ乃至２４ｄとが対をなして中心軸部２１から十字に延びるととともに、測定梁部２２ａ乃至２２ｄと支持梁部２４ａ乃至２４ｄとは、連結部２３ａ乃至２３ｄによって連結されている構造のセンサ構造体を構成している。このようなセンサ構造体では、以下のような効果が得られる。

図２、図３において、Ｘ軸回りのモーメントが、脚先部１５から荷重作用部２０を介してセンサ本体１８に作用したとする。
このとき、測定梁部２２ｂ、２２ｄが変形するだけでなく、連結部２３ｂ、２３ｄによって連結されている支持梁部２４ｂ、２４ｄも同時に変形することになる。つまり、モーメントによる荷重は、測定梁部２２ｂ、２２ｄと支持梁部２４ｂ、２４ｄに分散されるので、相対的に、測定梁部２２ｂ、２２ｄのモーメントに対する剛性を高めることができる。Ｘ軸方向の並進力が作用した場合も同様である。

本実施形態では、このようにモーメントや並進力による荷重を分散させるために、測定梁部２２ａ乃至２２ｄとともに、支持梁部２４ａ乃至２４ｄとが４本設けられているので、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りの全ての方向のモーメントや並進力が作用した場合も、剛性を高めることが可能である。

また、本実施形態では、測定梁部２２ａ乃至２２ｄと、支持梁部２４ａ乃至２４ｄは、それぞれ４本で一組となっているが、これに限定されるものではない。

測定梁部２２（以下、各々を特に区別しない場合には英小文字の添え字を省略、支持梁部等についても同じ）、支持梁部２４の本数を増やすことで、個々の測定梁部２２、支持梁部２４にかかる荷重がより分散させられることになるため、センサ本体１８のモーメントに対する剛性をより高めることが可能である。

測定梁部２２、支持梁部２４の本数の上限は、梁の太さが関係してくるが、隣合う測定梁部２２（または支持梁部２４）が重なり合うまで増やすことができる。

他方、測定梁部２２（または支持梁部２４）の本数が少ない場合には、１本あたりの測定梁部２２にかかる荷重が大きくなるため、測定梁部２２の曲がり量が大きくなり、歪センサ部２７、２８の歪量の検出感度を向上させることが可能である。
もっとも、測定梁部２２の本数が２本以下の場合には、全方位の荷重を受け止めることができなくなるとともに、モーメントに対する剛性も低下するため、最小本数は３本である。

以上は、測定梁部２２（または支持梁部２４）の本数と、センサ本体１８の剛性および検出感度との関係であるが、測定梁部２２と支持梁部２４の材質は中心軸部２１と同じでもよいが、特に異なる金属材料とすることよって、検出感度を高めるようにすることも可能である。

例えば、測定梁部２２と支持梁部２４の材料に、中心軸部２１に比べてヤング率が低い金属材料を用いることによって、中心軸部２１の強度を保ちつつ、測定梁部２２や支持梁部２４が撓み易くなり、歪センサ部２７、２８の歪量の検出感度を向上させることが可能である。

また、本実施形態では、測定梁部２２、支持梁部２４の配置は、中心軸部２１を中心に十字をなすように等角配置し、測定梁部２２、支持梁部２４の中心軸部２１の軸心（中心軸）に対する径方向の端部が正方形の頂点に位置するように、間隔が均等な放射状に配置されている。このような配置によって、測定梁部２２、支持梁部２４の一部に荷重が集中することを回避し、破損を防止することができる。また、測定梁部２２の変形量は、荷重作用部２０に作用する力の方向によらず、中心軸部２０の軸心を中心に対称になるので、力の方向を正確に測定することができる。なお、測定梁部２２、支持梁部２４の本数が、４本以外の場合には、支持梁部２４の径方向の端部は正多角形の頂点をなすように間隔を均等に配置される。

以上のように、本実施形態によれば、図１に示したようなロボット本体１２の重量を脚部１４で支えるために、歩行時には床面１３から大きなモーメントが作用するような歩行ロボット１０であって、脚先部１５の組み込んだ力覚センサ１６は、破損することなく、並進力やモーメントを高精度で測定することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による力覚センサについて、図４を参照して説明する。
図４は、第２実施形態による力覚センサ１６のセンサ本体１８をＸ軸方向からみて、対をなしている測定梁部２２と支持梁部２４を示した図である。第１実施形態による力覚センサ１６は、中心軸部２１の軸方向（Ｚ軸方向）に同じ位置にある複数本の支持梁部２４を一組としてみると、支持梁部２４を一組有する一段構造のセンサ本体１８を有している。
これに対して、第２実施形態による力覚センサ１６は、Ｚ軸方向の位置が異なる複数組の支持梁部２４を多段構造にした実施の形態である。図４では、支持梁部２４が２段であるが、３段以上にすることも可能である。

以上のような第２実施形態によれば、荷重作用部２０に作用する並進力、モーメントによる力は、測定梁部２２と複数段の支持梁部２４に分散することになるので、測定梁部２２、支持梁部２４の１本あたりにかかる力が少なくなり、１段の支持梁部２４の場合と比べて、より剛性を高めることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による力覚センサについて、図５を参照して説明する。
図５は、第３実施形態による力覚センサ１６のセンサ本体１８をＸ軸方向からみて、対をなしている測定梁部２２と支持梁部２４を示した図である。
この第３実施形態による力覚センサ１６は、測定梁部２２にスリットを形成することで、測定梁部２２を撓み易くした実施の形態である。

図５に示されるように、測定梁部２２のＹ−Ｚ平面に平行な測定面２６の歪センサ部のない部位には、スリット３０が開口し、このスリット３０は測定梁部２２を垂直に貫通するようになっている。この場合、スリット３０は、測定面２５と、その裏の測定面２５’に配置されている歪センサ部２７、２７’と対応しており、測定面２５、２５’と平行に貫通している。
同様に、測定面２６、２６’に配置されている歪センサ部２８、２８’に対応させて、測定面２６に貫通するようにスリット３１が形成されている。
また、また、支持梁部２４にも、Ｘ軸方向に貫通するスリット３２が形成されていることが好ましい。
なお、図５で図示されている以外の測定梁部２２、支持梁部２４にも同様のスリットが形成されている。

以上のような第３実施形態によれば、測定梁部２２にはスリット３０、３１を形成し、支持梁部２４にスリット３２を形成しているので、測定梁部２２と支持梁部が撓み易くなり、歪センサ部２７、２８に発生する歪量を増やすことができ、検出感度を向上させることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による力覚センサについて、図６を参照して説明する。
図６は、第４実施形態による力覚センサ１６のセンサ本体１８をＸ軸方向からみて、対をなしている測定梁部２２と支持梁部２４を示した図である。
この第４実施形態による力覚センサ１６は、測定梁部２２に減厚部を形成することで、測定梁部２２を撓み易くした実施の形態である。
図６に示されるように、測定梁部２２の測定面２５、２５’間の厚さは、他の部分よりも減厚されている。この減厚された測定面２５、２５’は歪センサ部２７、２７’と対応している。
同様に、測定面２６、２６’に配置されている歪センサ部２８、２８’に対応させて、測定面２６、２６’も減厚されている。また、支持梁部２４にも、同様の減厚部３４が形成されていることが好ましい。
なお、図６で図示されている以外の測定梁部２２、支持梁部２４にも同様の減厚部が形成されている。

以上のような第４実施形態によれば、測定梁部２２の測定面２５、２５’、 ２６、２６’は厚さが減厚された部分になっており、支持梁部２４にも減厚された部分を形成しているので、測定梁部２２と支持梁部２４が撓み易くなり、歪センサ部２７、２７’、２８、２８’に発生する歪量を増やすことができ、検出感度を向上させることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による力覚センサについて、図７を参照して説明する。

図７は、第３実施形態による力覚センサ１６のセンサ本体１８をＸ軸方向からみて、対をなしている測定梁部２２と支持梁部２４を示した図である。
この第５実施形態による力覚センサ１６は、測定梁部２２と連結部２３との接続部にＲ部３６を形成し、また支持梁部２４と連結部２３との接続部にＲ部３７を形成するようにした実施の形態である。なお、図７で図示されている以外の測定梁部２２、支持梁部２４と連結部２３との接続部にも同様のＲ部が形成されている。

以上のような第５実施形態によれば、測定梁部２２と連結部２３との接続部と、支持梁部２４と連結部２３との接続部には、センサ本体１８に並進力やモーメントがかかった場合に応力が集中し易い部位であるが、それぞれＲ部３６、３７を形成することにより、応力集中を緩和することができ、測定梁部２２と支持梁部２４の破断を防止することができる。

（第６実施形態）
図８は、本発明の第６実施形態による力覚センサを示す。この図８は、第６実施形態による力覚センサ１６をＺ軸方向からみて、測定梁部２２と支持梁部２４の位置関係を示した図である。

第１実施形態による力覚センサ１６は、各測定梁部２２に対して各支持梁部２４が連結部２３により同じ位相で連結されていた実施形態である。
第６実施形態は、各測定梁部２２に対して各支持梁部２４が中心軸部２１を中心に例えば、４５°偏位するように斜めの連結部２３によって連結されている実施の形態である。

以上のように構成される第６実施形態によれば、センサ本体１８を固定する固定部１９の内周面には、各測定梁部２２の端部４箇所、各支持梁部２４の端部４箇所の計８箇所で当接することなり、第１実施形態に比べると当接箇所が倍になる。これによって、作用する並進力やモーメントに対してセンサ本体１８を支える方向が増加することで、より剛性を高めることができる。
なお、本実施形態は、測定梁部２２、支持梁部２４の本数が、３本あるいは５本以外の場合にも同様に適用することができる。

（第７実施形態）
次に、第７実施形態による力覚センサについて、図９を参照しながら説明する。なお、図９において、第１実施形態の図３と同一の構成要素には同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

この第７実施形態は、中心軸部２１の４つの側面に、Ｘ軸回りのモーメントと、Ｙ軸回りのモーメントを測定する歪センサ部を配置するようにした実施の形態である。

この第７実施形態では、中心軸部２０の８面ある側面のうち、Ｘ−Ｚ平面と平行な側面である測定面４０ｂと測定面４０ｄ（測定面４０ｂの反対面）には、歪センサ４２ｂ、４２ｄが配置され、Ｙ−Ｚ平面と平行な側面である測定面４０ｃと測定面４０ａ（側面４０ｃの反対面）には、歪センサ４２ｃ、４２ａが配置されている。

＋Ｘ軸回りのモーメントがセンサ本体１８に作用する場合には、測定面４０ｂが伸び、測定面４０ｄが縮み、−Ｘ軸回りのモーメントの場合には、測定面４０ｂが縮み、測定面４０ｄが伸びる。したがって、これらの測定面４０ｂ、４０ｄに配置した歪センサ部４２ａ、４２ｄでホイートストンブリッジを構成してその電圧を測定することで、Ｘ軸回りのモーメントを測定することができる。

同様に、＋Ｙ軸回りのモーメントがセンサ本体１８に作用する場合には、測定面４０ａが伸び、測定面４０ｃが縮み、−Ｙ軸回りのモーメントの場合には、測定面４０ａが縮み、測定面４０ｃが伸びる。したがって、これらの測定面４０ａ、４０ｃに配置した歪センサ部４２ａ、４２ｃでホイートストンブリッジを構成してその電圧を測定することで、Ｙ軸回りのモーメントを測定することができる。

それ以外のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の並進力、Ｚ軸方向回りのモーメントについは、第１実施形態と同様に測定することができるので、表２に、測定面と歪センサ部の組み合わせを示す。

以上のような第７実施形態によれば、Ｘ軸回り、Ｙ軸回りのモーメントを中心軸部２１の歪みで測定するので、剛性が高い上に、第１実施形態と同様に、測定梁部２２が変形するだけでなく、連結部２６によって連結されている支持梁部２４も変形し、モーメントによる荷重は、測定梁部２２と支持梁部２４に分散されるので、相対的に、測定梁部２２のモーメントに対する剛性を高めることができる。

（第８実施形態）
次に、第８実施形態による力覚センサについて、図１０、図１１を参照しながら説明する。なお、図１０において、第１実施形態の図２と同一の構成要素には、同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。
これまで説明した第１実施形態乃至第７実施形態は、並進力およびモーメントの作用によるセンサ本体１８の測定梁部２２の変形を検出する変形検出センサとして弾性歪（撓み）を検出する歪センサを用い、検出した弾性歪を力、モーメントに換算する実施形態である。
これに対して、第８実施形態は、並進力およびモーメントの作用によるセンサ本体１８の測定梁部２２の変形を検出する変形検出センサとして次のように中心軸部２１に設けられる変位センサを適用して、並進力、モーメントを測定するようにした実施の形態である。

図１０は、第８実施形態による力覚センサを示す。センサ本体１８には、荷重作用部２０の反対側に＋Ｚ軸方向に所定の間隔を隔てるようにして、変位センサの受信部５０を保持する保持板５１が脚部１４の内径部に固定されている。他方、センサ本体１８の中心軸部２１の端面には、受信部５０に対向するように、変位センサの送信部５２が配置されており、受信部５０と送信部５２とで変位センサ対を構成している。

なお、センサ本体１８は、第１実施形態と同様である。もっとも、図１０に示した第８実施形態の場合、測定梁部２２には、歪センサ部が配置されていない実施の形態である。また、センサ本体１８自体の構造には、第２実施形態乃至第６実施形態によるセンサ本体の構造を適用することも可能である。

この力覚センサでは、＋Ｚ軸方向の並進力が荷重作用部２０を介してセンサ本体１８に作用すると、測定梁部２２および支持梁部２４が撓み、中心軸部２１は＋Ｚ方向に変位する。このとき変位センサの送信部５２は受信部５０に近づいていくので、受信部５０でその間の距離を検出し力に換算することで、＋Ｚ軸方向の並進力を測定することが可能である。
−Ｚ軸方向の並進力の場合も同様に、中心軸部２１−Ｚ方向に変位し、変位センサの送信部５２は受信部５０から遠ざかるので、受信部５０でその間の距離を検出することで、−Ｚ軸方向の並進力を測定することができる。

以上の説明は、第８実施形態の測定原理の説明であるが、並進力ととともにモーメントを測定するための複数の変位センサが図１１に示すように配置されている。

ここで、図１１（Ａ）は、センサ本体１８の中心軸部２１を上から（−Ｚ軸方向から）みて、変位センサの送信部５２ａ乃至５２ｅの配置を示し、図１１（Ｂ）は、＋Ｚ軸方向からみて、変位センサの受信部５０ａ乃至５０ｅの配置を示す図である。この実施形態の場合、変位センサは、５組配置されている。
送信部５２ａ乃至５２ｄは、中心軸部２１の軸心を中心にした正方形の各頂点なすように中心軸部２１の端面に配置され、受信部５０ａ乃至５０ｄはそれぞれ送信部５２ａ乃至５２ｄにＺ軸方向に所定の距離を離間して対向する位置で保持板５２に配置されている。受信部５０ｅと送信部５２ｅとは、中心軸部２１の軸心上に対向して配置されている。

受信部５０ａと送信部５２ａ、受信部５０ｃと送信部５２ｃからなる２組の変位センサは、Ｘ軸方向に並んで対をなし、Ｙ軸回りのモーメントを測定する変位センサである。センサ本体１８に＋Ｙ軸回りのモーメントが作用すると、送信部５２ａが受信部５０ａから遠ざかり、−Ｙ軸回りのモーメントでは送信部５２ａが受信部５０ａに近づくので、その距離を検出することによりＹ軸回りのモーメントを測定することができる。

同様に、受信部５２ｂと送信部５０ｂ、受信部５２ｄと送信部５０ｄからなる２組の変位センサは、Ｙ軸方向に並んで対をなし、Ｘ軸回りのモーメントを測定する変位センサである。センサ本体１８に＋Ｘ軸回りのモーメントが作用すると、送信部５２ｂが受信部５０ｂに近づき、−Ｘ軸回りのモーメントでは送信部５２ｄが受信部５０ｄから遠ざかるので、その距離を検出することによりＸ軸回りのモーメントを測定することができる。

以上をまとめて、本実施形態の力覚センサで測定できる並進力とモーメントと、そのセンサの組み合わせを示すと、表３のようになる。

なお、表３には挙げていないＸ軸方向、Ｙ軸方向の並進力を測定できるようにするには、図３に示した第１実施形態のように、測定梁部２２ｂ、２２ｄにはＸ軸方向の並進力を測定する歪みセンサ部２８ｂ、２８ｂ’、２８ｄ、２８ｄ’を配置し、測定梁部２２ａ、２２ｃにはＹ軸方向の並進力を測定する歪みセンサ部２８ａ、２８ａ’、２８ｃ、２８ｃ’を配置するようにしてもよい。

以上のような第８実施形態においても、Ｘ軸回りやＹ軸回りのモーメントやＺ軸方向の並進力が、脚先部１５から荷重作用部２０を介してセンサ本体１８に作用した場合に、これらのモーメントや並進力を測定できる。

しかも、センサ本体１８では、第１実施形態と同様に、測定梁部２２が変形するだけでなく、連結部２６によって連結されている支持梁部２４も変形し、モーメントによる荷重は、測定梁部２２と支持梁部２４に分散されるので、相対的に、測定梁部２２のモーメントに対する剛性を高めることができる。

これによって、ロボット本体の重量を脚部で支えるために、歩行時には床面１３から大きなモーメントが作用するような、図１に示した歩行ロボット１０の脚先部１５の組み込んだ力覚センサであっても、破損することなく、並進力やモーメントを高精度で測定することができる。

以上、本発明に係る力覚センサについて多脚歩行ロボットに適用した好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、様々なロボット、マニピュレータにも適用可能である。また、これらの実施形態は、例示として挙げたもので、発明の範囲の制限を意図するものではない。もちろん、明細書に記載された新規な装置、方法およびシステムは、様々な形態で実施され得るものであり、さらに、本発明の主旨から逸脱しない範囲において、種々の省略、置換、変更が可能である。請求項およびそれらの均等物の範囲は、発明の主旨の範囲内で実施形態あるいはその改良物をカバーすることを意図している。

１０…多脚歩行ロボット、１２…ロボット本体、１３…床面、１４…脚部、１５…脚先部、１６…力覚センサ、１８…センサ本体、１９…固定部、２０…荷重作用部、２１…中心軸部、２２…測定梁部、２３…連結部、２４…支持梁部、２５…測定面、２６…測定面、２７…歪センサ部、２８…歪センサ部、３０…スリット、３１…スリット、３２…スリット、３６…Ｒ部、３７…Ｒ部、５０…変位センサの受信部、５２…変位センサの送信部

Claims (7)

1. マニピュレータの構造体に作用する互いに直交する３軸方向の力および各軸回りのモーメントのうち、少なくとも一つ以上を測定する力覚センサにおいて、
   力の作用を受ける荷重作用部と、
   前記荷重作用部が同軸に接続される中心軸部と、
   前記中心軸部から半径方向に放射状に伸びる少なくとも３本以上の測定梁部と、
   前記中心軸部の軸方向に前記荷重作用部側に間隔を隔てて配置され、前記中心軸部から半径方向に放射状に伸びる少なくとも３本以上の支持梁部と、
   前記測定梁部と前記支持梁部の各々端部同士を連結し前記構造体の固定部に密着する連結部と、
   前記荷重作用部に作用する前記力による前記測定梁部の変形を検出する変形検出センサと、
   を有することを特徴とする力覚センサ。
2. 前記変形検出センサは、前記測定梁部に配置され、前記測定梁部の変形を検出する歪検出部であることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記測定梁部には、該測定梁部を前記測定面と平行に貫通するスリットが該測定面の歪みセンサの位置と対応して形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の力覚センサ。
4. 前記測定梁部の前記測定面には、前記歪みセンサが配置される位置に減厚部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の力覚センサ。
5. 前記測定梁部と前記支持梁部とは、前記中心軸部の軸心を中心にお互いに所定角度偏位するように前記連結部によって連結されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の力覚センサ。
6. 前記中心軸部は、力若しくはモーメントにより変形する測定面を有し、前記測定面に歪みセンサが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の力覚センサ。
7. 前記変位検出センサは、前記中心軸部の軸方向に距離を隔てて対をなす変位センサ対によって変位センサ対間の距離の変化に基づいて検知する変位検出部であることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。

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