JPH01103281A - 関節センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野］ 本発明は関節センサーに関し、特に関節角検出機能だけ
でなく、力覚検出機能をも必要とする小型マニピュレー
タやハンドなどに好適な超薄型の関節センサーに関する
。

［発明の概要］ この発明は、関節センサーに関するもので、関節を形成
する板バネに互いに直交する２方向に貼付した歪ゲージ
により、関節曲げ動作および作用荷重によって生じる曲
げ歪を検出処理することにより、非常に軽量、省スペー
スで関節角だけでなく、力覚をも検出することができる
ようにしたものである。

【従来の技術］ 従来、マニピュレータやロボットハンド等ではモーター
などの関節駆動源にポテンショメータやロータリーエン
コーダ、レゾルバなどの回転型のセンサーを装着してそ
の関節角を検出していた。

また、力覚を検出するためには弾性体に歪ゲージを貼設
した形態のセンサーや、荷重量によって抵抗値が変化す
る感圧ゴムや圧電素子などを利用したセンサーが用いら
れてきた。

［発明が解決しようとする問題点］ しカルながら、ト込センサーによ・て関節角と力覚との
双方を検出できるようにしたものは、従来には見当らな
い。

すなわち、マニピュレータなどのように回転機能をもつ
機構系を小型、軽量かっ線型化する場合、関節駆動系部
品やセンサー系部品などの計装部品を実質的には高密度
に配置する必要がある。

さらにそれが多関節のものになると機構系全体の重量が
増し、制御機能上にも大きく影響する。

従って、従来型のセンサーの場合、このような要求と条
件のもとでは大型でかつ重量が重くなりすぎるので、適
用できなかった。

本発明の目的は、上述した従来の問題点に着目し、小型
、軽量、省スペースで、しかも関節角だけでなく、力覚
をも同時に検出可能とする関節センサーを提供すること
にある。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明は、部材間を互い
に一方向に屈曲自在に連結する関節部の部材間に取付け
、関節部の屈曲に応じて撓む板ばねと、板ばね上の、互
いに直交する２方向に配設され、曲げ歪の検出がそれぞ
れに可能な２つの歪ゲージとを具え、２つの歪ゲージか
らの出力により関節部の屈曲の角度と当該関節部に付加
される荷重との検出が可能なようにしたことを特徴とす
るものである。

【作　用］ 本発明によれば、関節をなす薄板バネの曲げ動作により
、その薄板バネの表面に貼設された２方向の歪ゲージに
発生する出力を求め、これらの出力から、曲げによる関
節角と共に関節部に作用した荷重を求めることができ、
小型化、線型化。軽量化などが望まれるマニピュレータ
やロボットハンドに好適な薄型の関節センサーを提供す
ることができる。

［実施例］ 以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具体
的に説明する。

第１図は本発明関節センサーの構成の一例を示し、第２
図はその関節センサーを関節部に取付けた状態を示す。

すなわち、関節センサーｌは第２図に示すように、アー
ム２Ａと２Ｂとに跨ってその関節部に取付けられるもの
で、３はその関節部の回動支点をなす支点ビンである。

更に第１図において、４は関節センサー１の基体となる
薄板バネであり、薄板バネ４に・はジンバル式の十字バ
ネ構造とするために４つの角孔５が穿設してあって、こ
れらの角孔５によって残置された中央の十字部分にアー
ム方向に第１歪ゲージ６＾が、またこれと直交する方向
に第２歪ゲージ６Ｂが貼設される。７はこれらの歪ゲー
ジ６＾および６Ｂの交叉する中央部に設けられた接触子
である。また、８＾は歪ゲージ６＾からの出力信号を取
出す端子、８Ｂは歪ゲージ６Ｂからの出力信号を取出す
端子である。

そこで、このように構成した関節センサー１を、その一
方の端部に設けた取付は孔９によりアーム２Ａに固定ね
じ１１で固定し、他方の端部に設けた案内溝１０にアー
ム２Ｂの案内ねじ１２を摺動自在に嵌め合わすようにな
して、関節の屈曲運動にともない関節センサー１をアー
ム２Ｂに沿って曲率半径を侃ちながらスライドさせるよ
うにする。

しかして、このとき関節の曲げ方向に発生する曲げ歪を
歪ゲージ６＾によって検出し、関節角に変換することが
できる。一方歪ゲージ６Ｂは、歪ゲージ６＾と直交する
方向に貼付されており、理想的には出力０である。しか
し、荷重Ｆが付加された場合には、歪ゲージ６Ｂにも曲
げ歪が生じるのでこの値を荷重１７曲げ歪εｂ曲線で較
正して荷重Ｆの値を得ることができる。なお、このとき
、歪ゲージ８＾にも荷重Ｆに見合った部分Δεａが付加
されるが、荷重１７曲げ歪Δεａ曲線を予め求めておけ
ば同様にして補正することができる。

以上の方法で関節角および荷重を求めてもいいが、曲げ
歪εａとεａ／εｂとの間には関節角θに関連して、第
３図に示すような規則性のあることが実験で確認されて
いるので、これらの３つをパラメータにした近似方程式
を予め求めておけば、精度を改善することが可能である
。

第４図は、本関節センサーを小型カメラ駆動用マニピュ
レータに適用した例を示す。このように、孔１３の内部
に複数のアーム２を連結して構成したマニピュレータ１
４を挿入し、小型カメラ１５によって撮像する場合、外
壁の破壊やマニピユレータ１４自体の自損を避けるため
、関節角だけでなく、各関節部にどの位の力が作用して
いるかを検出している必要がある。しかし、従来は力覚
センサーを独立に複数個、装着しなければならなくなる
ため、マニピュレータを長尺、線型にする場合、重量や
スペースなどの点で難しかった。本関節センサー１によ
れば、非常に軽量、薄型であり、関節角と併用して力覚
が検出できるので、このような条件下では特に有効であ
る。

第５図は、ファクトリ−オートメーションにおける作業
用ハンドに適用した例を示す。ここで、２０は指部であ
り、連結された指部２０の指関節部に関節センサー１を
設けるようにすれはアームの小型化を図ることができ、
微細作業などが可能なハンドの実現が期待できる。ここ
で、２１はハンドによって把持される被把持体である。

なお、本関節センサーは他にも医療分野など、広い各分
野において適用することができるのはいうまでもない。

［発明の効果］ 以上述べてきたように、従来の回転型のセンサーでは、
重量が重く、あまり小型のものがない上に、回転軸に取
り付けて使用するため、スペース的に不利であるなどの
欠点があり、また、力覚を合わせて検出できるものが存
在しないため、必要がある場合には別途、力覚センサー
を装着しなければならず、重量の点でも使い勝手の点で
もさらに不利な条件になり、小型、線型マニピュレータ
の実現には問題が多かった。

これに対し、本発明によれば、厚さ０．２＋ｎｍ程度の
薄い板バネを基板弾性材としたシンプルな構造を採るこ
とによって、例えば重さ約０．２ｇというように４１ｆ
ｊｔ化を実現することができ、また、十字バネ構造の中
央部に９０°の角度差をもつように２方向に歪ゲージを
貼付することによって、関節角と力覚の両方を同時に検
出できるようになった。加えて、非常に薄型で、アーム
の外側に装着する形態としたため、内部空間を有効に利
用することができ、小型化、線型化。軽量化などが望ま
れるマニピュレータやハンドに最適の関節センサーを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明関節センサーの構成の一例を示す斜視
図、 第２図は、本発明関節センサーをアーム間の１自由度関
節へ装着した例を示す側面図、第３図は、その一方の歪
ゲージの曲げ歪値εａ１その曲げ歪値εａと他方の歪ゲ
ージの曲げ歪値εｂとの比εａ／εｂおよび関節角度θ
の関係を実験によって求めた特性曲線図、 第４図は、本発明を小型カメラ駆動用マニピュレータに
通用した例を模式的に示す側面図、第５図は、本発明を
作業用ハンドに適用した例を模式的に示す側面図である
。 １・・・関節センサー、 ２．２Ａ、２Ｂ・・・アーム、 ３・・・支点ビン、 ４・・・板ばね、 ５・・・角孔、 ６Ａ、６Ｂ・・・歪ゲージ、 ７・・・接触子、 ９・・・取付は孔、 １０−・・案内溝、 １１．１２・・・ねじ、 １４・・・マニピュレータ、 ２０・・・指部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 部材間を互いに一方向に屈曲自在に連結する関節部の前
   記部材間に取付け、前記関節部の屈曲に応じて撓む板ば
   ねと、 該板ばね上の、互いに直交する２方向に配設され、曲げ
   歪の検出がそれぞれに可能な２つの歪ゲージと、 を具え、該２つの歪ゲージからの出力により前記関節部
   の屈曲の角度と当該関節部に付加される荷重との検出が
   可能なようにしたことを特徴とする関節センサー。