JP2020118642A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】力覚センサの薄型化を図ることが容易な構造を提供する。【解決手段】複数の第１電極１３は、弾性部１６を挟んで複数の第２電極２３と積層方向ＤＲｓｔにそれぞれ対向しており、弾性部１６は、複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間を電気的に絶縁している。そして、力覚センサ１０が設けられた部材間に掛かる部材間荷重は、弾性部１６の弾性変形に伴う複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間の電気的な変化に基づいて検出される。従って、複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間の電気的な絶縁は弾性部１６によって保障され、力覚センサ１０に高剛性の部材を含める必要がない。そのため、力覚センサ１０において厚みを要する部材を必要とすることなく、その力覚センサ１０を、上記部材間荷重の検出可能な構成にすることができる。このようなことから、力覚センサ１０の薄型化を図ることが容易である。【選択図】図３

Description

本発明は、力覚センサに関するものである。

例えば特許文献１に記載された力覚センサが従来から知られている。この特許文献１に記載された力覚センサは、導電性弾性体からなる円形の検出リングと、その検出リングの下方に配置された円盤状の支持体と、検出リングの上方に配置されたワッシャ状の受力体とを有している。その検出リングと支持体と受力体は何れも、Ｚ軸が中心軸となるように配置されている。また、検出リングの外周面は、Ｘ軸上に配置された接続部材により支持体に接続されると共に、Ｙ軸上に配置された接続部材により受力体に接続されている。

このように構成された力覚センサでは、その力覚センサの支持体が固定された状態で受力体に力やモーメントが作用すると、検出リングが歪みを生じる。そして、その支持体上に設けられた８組の電極と検出リングの対向面とから構成される８組の容量素子の容量値に基づき、力およびモーメントが検出される。

特開２０１６−４２０４４号公報

特許文献１の力覚センサにおいて、８組の電極が設けられた支持体と、その支持体に対し検出リングを挟んで配置された受力体は、検出リングと比較して高剛性の部材として構成されている。そして、特許文献１の力覚センサは、受力体に作用した力やモーメントに応じて専ら検出リングが弾性変形するように構成されている。

そのため、支持体と受力体はそれぞれ、高い剛性を得るために或る程度の厚みを必要とする。従って、特許文献１に記載された力覚センサの構造では、力覚センサの薄型化に限界があった。

これに対し、一般的に力覚センサは薄型化されるほど、その力覚センサの配置等の面で力覚センサの使用自由度が向上するというメリットがあり、力覚センサの薄型化が望まれている。発明者の詳細な検討の結果、以上のようなことが見出された。

本発明は上記点に鑑みて、力覚センサの薄型化を図ることが容易な構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の力覚センサは、
第１部材（７１）と第２部材（７２）との間に設けられ、第１部材と第２部材との間に作用する部材間荷重（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を検出するための力覚センサであって、
所定の積層方向（ＤＲｓｔ）の一方側に設けられ第１部材に固定される第１一方面（１２１）と積層方向の他方側に設けられた第１他方面（１２２）とを有する第１基板部（１２）、および、第１他方面に沿って並んで配置されその第１他方面に固定された複数の第１電極（１３）を有する第１基板電極部（１１）と、
第１基板電極部に対し積層方向の他方側に積層されて固定され、弾力性を有する弾性部（１６）と、
積層方向の一方側に設けられた第２一方面（２２１）と積層方向の他方側に設けられ第２部材に固定される第２他方面（２２２）とを有する第２基板部（２２）、および、第２一方面に沿って並んで配置されその第２一方面に固定された複数の第２電極（２３）を有し、弾性部に対し積層方向の他方側に積層されて固定された第２基板電極部（２１）とを備え、
複数の第１電極は、弾性部を挟んで複数の第２電極と積層方向にそれぞれ対向し、
弾性部は、複数の第１電極と複数の第２電極との間を絶縁し、
部材間荷重は、弾性部の弾性変形に伴う複数の第１電極と複数の第２電極との間の電気的な変化に基づいて検出される。

このようにすれば、複数の第１電極と複数の第２電極との間の電気的な絶縁は弾性部によって保障され、力覚センサに高剛性の部材を含める必要がない。そのため、力覚センサにおいて厚みを要する部材を必要とすることなく、その力覚センサを、上記部材間荷重の検出可能な構成にすることができる。従って、この力覚センサであれば、力覚センサの薄型化を図ることが容易である。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態において、力覚センサがロボットアームとロボットハンドとの間に設けられた状態を模式的に示す断面図である。 第１実施形態の力覚センサによって検出される軸方向力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚとモーメントＭｘ、Ｍｙ、ＭｚとをＸＹＺ三次元直交座標系に示した図である。 第１実施形態において、Ｚ軸を含む平面で力覚センサを切断した断面を示すと共に、その力覚センサを分解して示した模式的な分解断面図である。 図３のIV方向から視た力覚センサを示すIV矢視図である。

以下、図面を参照しながら、実施形態を説明する。なお、後述する他の実施形態を含む以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の力覚センサ１０は、例えばロボット７０のマニュピュレーション作業においてロボット７０の所定の構成部分に生じる荷重の検出に用いられる。本実施形態では、力覚センサ１０は、第１部材としてのロボットアーム７１と、第２部材としてのロボットハンド７２との間に設けられ、そのロボットアーム７１とロボットハンド７２とにそれぞれ固定される。

また、力覚センサ１０が搭載されるロボット７０は、ロボットアーム７１とロボットハンド７２とのほかに、ロボットアーム７１とロボットハンド７２との間において力覚センサ１０と並列に配置された力伝達部７３を有している。

この力伝達部７３は、例えば力覚センサ１０よりも高い剛性の部材で構成されている。そして、力伝達部７３は、ロボットアーム７１とロボットハンド７２との間で力を伝達する役割を果たす。従って、ロボットアーム７１とロボットハンド７２との間で力が伝達される際には力伝達部７３が僅かに歪むので、力覚センサ１０は、その力伝達部７３の歪みに伴って、ロボットアーム７１とロボットハンド７２との間で伝達される力を検出する。その力覚センサ１０が検出する力とは、例えば、引張り力、圧縮力、モーメントなどである。

図２および図３に示すように、本実施形態の力覚センサ１０は、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、各座標軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚとをそれぞれ検出する。

すなわち、力覚センサ１０は、ロボットアーム７１とロボットハンド７２との間に作用する部材間荷重を検出するためのセンサであると言える。そして、その部材間荷重とは、ロボットアーム７１とロボットハンド７２との間に作用する一軸線方向の力と一軸線まわりのモーメントとのうちの少なくとも何れかである。

この場合、本実施形態では例えば、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とのそれぞれが一軸線に該当する。そして、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸方向の力ＦｙとＺ軸方向の力ＦｚとＸ軸まわりのモーメントＭｘとＹ軸まわりのモーメントＭｙとＺ軸まわりのモーメントＭｚとのそれぞれが部材間荷重に該当する。要するに、本実施形態の力覚センサ１０は６軸力覚センサである。なお、図２および図３に示す原点Ｏは、ＸＹＺ三次元直交座標系の原点である。また、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸方向の力ＦｙとＺ軸方向の力Ｆｚとを総称して、軸方向力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと称する場合がある。

本実施形態の力覚センサ１０は、静電容量の変化に基づいて部材間荷重を検出する静電容量型力覚センサである。図３および図４に示すように、力覚センサ１０は、第１基板電極部１１と弾性部１６と第２基板電極部２１とを備えている。そして、力覚センサ１０は、その第１基板電極部１１と弾性部１６と第２基板電極部２１とが所定の積層方向ＤＲｓｔに積層された構造になっている。なお、その積層方向ＤＲｓｔはＺ軸の軸方向に一致する必要はないが、便宜上、その積層方向ＤＲｓｔをＺ軸の軸方向に一致させて本実施形態の説明を行う。

例えば、第１基板電極部１１と弾性部１６と第２基板電極部２１は、例えばＺ軸を中心とし互いに略同じ外径を有する円形状になっている。第１基板電極部１１は、積層方向ＤＲｓｔに厚みを有するフィルム状に形成されており、可撓性を有している。第１基板電極部１１は、フィルム状の第１基板部１２と、複数の第１電極１３とを有している。

第１基板部１２は、積層方向ＤＲｓｔの一方側に設けられた第１一方面１２１と、積層方向ＤＲｓｔの他方側に設けられた第１他方面１２２とを有している。その第１一方面１２１は、ロボットアーム７１（図１参照）に固定されている。例えば、第１一方面１２１はロボットアーム７１に対し、接着等によって固定されている。また、第１基板部１２は、例えば樹脂フィルムで構成された不導体である。

複数の第１電極１３は、第１他方面１２２に沿って並んで配置され、その第１他方面１２２にそれぞれ固定されている。その複数の第１電極１３は導電性を有し、例えば炭素膜で構成されている。すなわち、第１電極１３の形状もフィルム状（別言すれば薄膜状）である。本実施形態における複数の第１電極１３は、第１他方面１２２上に印刷されることによって形成されている。

また、複数の第１電極１３は、Ｚ軸を中心とした周方向に相互間隔を空けつつ並んで配置されている。また、第１基板部１２は不導体であるので、複数の第１電極１３が第１基板部１２を介して短絡することはない。

弾性部１６は、不導体（言い換えれば、誘電体）であるゴム製であり、弾力性を有している。例えば弾性部１６は、アクリルゴムまたはシリコンゴムで構成されている。また、弾性部１６は、積層方向ＤＲｓｔに厚みを有するフィルム状に形成されているので、弾力性に加え可撓性も有している。

弾性部１６は、第１基板電極部１１に対し積層方向ＤＲｓｔの他方側に積層されて固定されている。例えば、弾性部１６は第１基板電極部１１に対し、接着等によって固定されている。そのため、複数の第１電極１３はそれぞれ、弾性部１６に対して密着している。

第２基板電極部２１は、上記の第１基板電極部１１と同じ部品であるが、第１基板電極部１１に対し積層方向ＤＲｓｔに反転させた状態で力覚センサ１０に用いられる。

すなわち、第２基板電極部２１は、積層方向ＤＲｓｔに厚みを有するフィルム状に形成されており、可撓性を有している。第２基板電極部２１は、フィルム状の第２基板部２２と、複数の第２電極２３とを有している。第２電極２３の数は第１電極１３と同数であり、本実施形態では、第１電極１３と第２電極２３は４つずつ設けられている。

第２基板部２２は、積層方向ＤＲｓｔの一方側に設けられた第２一方面２２１と、積層方向ＤＲｓｔの他方側に設けられた第２他方面２２２とを有している。その第２他方面２２２は、ロボットハンド７２（図１参照）に固定されている。例えば、第２他方面２２２は、ロボットハンド７２に対し、接着等によって固定されている。また、第２基板部２２は、例えば樹脂フィルムで構成された不導体である。

複数の第２電極２３は、第２一方面２２１に沿って並んで配置され、その第２一方面２２１にそれぞれ固定されている。その複数の第２電極２３は導電性を有し、例えば炭素膜で構成されている。すなわち、第２電極２３の形状もフィルム状（別言すれば薄膜状）である。本実施形態における複数の第２電極２３は、第２一方面２２１上に印刷されることによって形成されている。

また、複数の第２電極２３は、Ｚ軸を中心とした周方向に相互間隔を空けつつ並んで配置されている。また、第２基板部２２は不導体であるので、複数の第２電極２３が第２基板部２２を介して短絡することはない。

このように構成された第２基板電極部２１は、弾性部１６に対し積層方向ＤＲｓｔの他方側に積層されて固定されている。例えば、第２基板電極部２１は弾性部１６に対し、接着等によって固定されている。そのため、複数の第２電極２３はそれぞれ、弾性部１６に対して密着している。

図１および図３に示すように、複数の第１電極１３は、単一の部品である弾性部１６を挟んで複数の第２電極２３と積層方向ＤＲｓｔにそれぞれ対向している。そして、誘電体である弾性部１６は、複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間を電気的に絶縁している。従って、複数の第１電極１３と複数の第２電極２３は、１つの第１電極１３と１つの第２電極２３とからなる電極対２６（図１参照）を複数構成しており、その複数の電極対２６はそれぞれ、静電容量を生じる静電容量素子として機能する。すなわち、各第１電極１３と各第２電極２３は、互いに対向する第１電極１３と第２電極２３との間の電位差に応じて電荷を貯めることができる。本実施形態では、第１電極１３と第２電極２３は４つずつ設けられているので、その電極対２６の数は４対である。

本実施形態の力覚センサ１０は、以上説明したように構成されているので、ロボットアーム７１とロボットハンド７２との間に軸方向力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚとモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚとの何れかが生じると、それに応じて弾性部１６に弾性変形が生じる。そして、弾性部１６が弾性変形すれば、それに応じて、第１電極１３と第２電極２３との相互間隔など、第１電極１３と第２電極２３との相対的な位置関係または姿勢も変化する。更に、その第１電極１３と第２電極２３との相対的な位置関係または姿勢の変化は、その第１電極１３と第２電極２３との間の電気的な変化を生じる。

従って、ロボットアーム７１とロボットハンド７２との間の部材間荷重としての軸方向力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚおよびモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚはそれぞれ、弾性部１６の弾性変形に伴う複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間の電気的な変化に基づいて検出される。但し、本実施形態において具体的に、その弾性部１６の弾性変形に伴う複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間の電気的な変化とは、弾性部１６の弾性変形に伴う複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間の静電容量の変化である。

次に、本実施形態の力覚センサ１０を用いて部材間荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出する検出方法の概略について説明する。具体的に、力覚センサ１０は電子制御装置へ電気的に接続されて使用され、複数の電極対２６の各静電容量を表す検出信号をその電子制御装置へ出力する。そして、その電子制御装置は、電極対２６の各静電容量に基づいて各部材間荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを知得する。

そのため、各部材間荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと電極対２６の各静電容量との関係である検出用マップが予め実験的に求められ、電子制御装置に予め記憶されている。その検出用マップは、例えば６つの部材間荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを個別に外部から印加しロボットアーム７１とロボットハンド７２との間に作用させ、そのときの電極対２６の各静電容量と部材間荷重とを逐次記憶することによって作成される。そして、電子制御装置は、その検出用マップを用いて、電極対２６の各静電容量に基づいて各部材間荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを知得する。

次に、本実施形態の力覚センサ１０が奏する効果について説明する。上述したように、本実施形態によれば、複数の第１電極１３は、弾性部１６を挟んで複数の第２電極２３と積層方向ＤＲｓｔにそれぞれ対向しており、弾性部１６は、複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間を電気的に絶縁している。そして、部材間荷重としての軸方向力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚおよびモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚはそれぞれ、弾性部１６の弾性変形に伴う複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間の電気的な変化に基づいて検出される。

従って、複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間の電気的な絶縁は弾性部１６によって保障され、力覚センサ１０に高剛性の部材を含める必要がない。そのため、力覚センサ１０において厚みを要する部材を必要とすることなく、その力覚センサ１０を、上記部材間荷重の検出可能な構成にすることができる。

このようなことから、本実施形態の力覚センサ１０であれば、力覚センサ１０の薄型化を図ることが容易である。例えば、積層方向ＤＲｓｔにおける本実施形態の力覚センサ１０の厚み、すなわち図１に示す寸法Ｔｚは０．３ｍｍ程度であり、力覚センサ１０の厚みを１ｍｍ以下にすることが可能である。

また、本実施形態によれば、弾性部１６の弾性変形に伴う複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間の電気的な変化とは、弾性部１６の弾性変形に伴う複数の第１電極１３と複数の第２電極２３との間の静電容量の変化である。従って、その静電容量の変化を示す力覚センサ１０からの検出信号を用いて上記部材間荷重を容易に知得することが可能である。

（他の実施形態）
（１）上述の実施形態では図１に示すように、力覚センサ１０は、例えばロボット７０において、第１部材としてのロボットアーム７１と、第２部材としてのロボットハンド７２との間に設けられるが、これは一例である。その力覚センサ１０の用途はロボット７０に限らない。従って、第１部材はロボットアーム７１である必要はなく、第２部材はロボットハンド７２である必要もない。

（２）上述の実施形態では図２および図３に示すように、力覚センサ１０は、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸方向の力ＦｙとＺ軸方向の力ＦｚとＸ軸まわりのモーメントＭｘとＹ軸まわりのモーメントＭｙとＺ軸まわりのモーメントＭｚとをそれぞれ検出することができる。しかしながら、これは一例であり、力覚センサ１０は、それら６つの部材間荷重Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうちの少なくとも１つを検出できるだけでも差し支えない。

（３）上述の実施形態では、図３に示す第１電極１３および第２電極２３は、印刷によって形成された炭素膜であるが、これは一例である。第１電極１３および第２電極２３の厚みが許容されるのであれば、その第１電極１３および第２電極２３は、金属箔などであっても差し支えない。

（４）上述の実施形態では図３および図４に示すように、第１電極１３は４つ設けられているが、２つ、３つ、または５つ以上であっても差し支えない。このことは、第２電極２３の数についても同様である。

（５）上述の実施形態では図３および図４に示すように、複数の第１電極１３および複数の第２電極２３は、Ｚ軸を中心とした周方向に相互間隔を空けつつ並んで配置されているが、これは一例である。その第１電極１３および第２電極２３の配置はこれに限らず、任意の位置へ配置されて差し支えない。

（６）上述の実施形態では図３に示すように、弾性部１６は、部品単体としては、均一な厚みのフィルム状であるが、その弾性部１６は、部品単体として均一な厚みである必要はない。例えば、フィルム状の誘電体を部分的に積層して接着することで、弾性部１６の厚みを部分的に大きくすることができる。

（７）なお、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。また、上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、上記実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

（まとめ）
上記実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、力覚センサは第１部材と第２部材との間に設けられ、その第１部材と第２部材との間に作用する部材間荷重を検出するためのセンサである。その力覚センサにおいて、複数の第１電極は、弾性部を挟んで複数の第２電極と積層方向にそれぞれ対向し、弾性部は、複数の第１電極と複数の第２電極との間を絶縁する。そして、部材間荷重は、弾性部の弾性変形に伴う複数の第１電極と複数の第２電極との間の電気的な変化に基づいて検出される。

また、第２の観点によれば、弾性部の弾性変形に伴う複数の第１電極と複数の第２電極との間の電気的な変化とは、弾性部の弾性変形に伴う複数の第１電極と複数の第２電極との間の静電容量の変化である。従って、その静電容量の変化を示す検出信号を用いて上記部材間荷重を容易に知得することが可能である。

また、第３の観点によれば、弾性部は、積層方向に厚みを有するフィルム状を成している。

１０ 力覚センサ
１１ 第１基板電極部
１２ 第１基板部
１３ 第１電極
１６ 弾性部
２１ 第２基板電極部
２２ 第２基板部
２３ 第２電極
７１ ロボットアーム（第１部材）
７２ ロボットハンド（第２部材）

Claims (3)

1. 第１部材（７１）と第２部材（７２）との間に設けられ、前記第１部材と前記第２部材との間に作用する部材間荷重（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を検出するための力覚センサであって、
   所定の積層方向（ＤＲｓｔ）の一方側に設けられ前記第１部材に固定される第１一方面（１２１）と前記積層方向の他方側に設けられた第１他方面（１２２）とを有する第１基板部（１２）、および、前記第１他方面に沿って並んで配置され該第１他方面に固定された複数の第１電極（１３）を有する第１基板電極部（１１）と、
   前記第１基板電極部に対し前記積層方向の前記他方側に積層されて固定され、弾力性を有する弾性部（１６）と、
   前記積層方向の前記一方側に設けられた第２一方面（２２１）と前記積層方向の前記他方側に設けられ前記第２部材に固定される第２他方面（２２２）とを有する第２基板部（２２）、および、前記第２一方面に沿って並んで配置され該第２一方面に固定された複数の第２電極（２３）を有し、前記弾性部に対し前記積層方向の前記他方側に積層されて固定された第２基板電極部（２１）とを備え、
   前記複数の第１電極は、前記弾性部を挟んで前記複数の第２電極と前記積層方向にそれぞれ対向し、
   前記弾性部は、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極との間を絶縁し、
   前記部材間荷重は、前記弾性部の弾性変形に伴う前記複数の第１電極と前記複数の第２電極との間の電気的な変化に基づいて検出される、力覚センサ。
2. 前記弾性部の弾性変形に伴う前記複数の第１電極と前記複数の第２電極との間の電気的な変化とは、前記弾性部の弾性変形に伴う前記複数の第１電極と前記複数の第２電極との間の静電容量の変化である、請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記弾性部は、前記積層方向に厚みを有するフィルム状を成している、請求項１または２に記載の力覚センサ。
   

Images