JP2023135152A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造にでき、かつ、互いに垂直な３軸の各方向の力と３軸の各々を中心とするトルクとを検知可能とする力覚センサを得ること。【解決手段】力覚センサ１０は、固定部と、荷重を受ける受力部と、固定部に設けられた薄板部と、受力部を薄板部に繋げる橋梁部とを有し、受力部が荷重を受けたときに薄板部および橋梁部の少なくとも一方が歪むことによって固定部に対し受力部が移動または回転する起歪体２０と、受力部に締結されている磁石取付板４０と、磁石取付板４０に取り付けられている複数の磁石６０と、固定部に固定されている基板５０と、各々が基板５０に配置されて磁石６０と１対１で向かい合い、かつ各々が互いに垂直な３軸の各方向における磁束密度を検出する複数の磁気センサ７０と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、荷重を検知する力覚センサに関する。

産業用ロボットのアームまたは医療用のマニピュレータといった機器には、機器の各部に作用する荷重を検知して電気信号を出力する力覚センサが使用される。力覚センサとしては、特許文献１に開示されている歪ゲージ式の力覚センサ、および、特許文献２に開示されている磁気式の力覚センサが知られている。特許文献１に開示されている力覚センサは、歪ゲージの電気抵抗値を検出し、力覚センサの受力体を移動させる力と受力体を回転させるトルクとを、磁気抵抗値の変動量に基づいて検知する。特許文献２に開示されている力覚センサは、磁石と磁気センサであるホール素子とを備え、磁気センサに対する磁石の相対位置の変化を磁束密度の変化に基づいて検出することによって、受力体を移動させる力と受力体を回転させるトルクとを検知する。

特開昭５７－１６９６４３号公報 特開昭６０－１７７２３２号公報

特許文献１に開示されている従来の力覚センサの場合、力覚センサの製造工程にて起歪体に多数の歪ゲージを貼付する必要があることから、力覚センサの構造が複雑となる。特許文献２に開示されている従来の力覚センサは、４つのホール素子の各々が磁石との距離を検出して、互いに垂直な２軸の各方向の力と、当該２軸の各々に垂直な１軸を中心とするトルクとを検知する。すなわち、特許文献２に開示されている力覚センサは、４つのホール素子を使用して、３軸の各方向の力と１軸を中心とするトルクとを検知する。このため、互いに垂直な３軸の各方向の力と３軸の各々を中心とするトルクとの計６分力を検知するためには、ホール素子の数を増やす必要があるため、力覚センサの構造が複雑となる。このように、従来の力覚センサは、簡易な構成にするとともに、互いに垂直な３軸の各方向の力と３軸の各々を中心とするトルクとを検知可能とすることが困難であるという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構造にでき、かつ、互いに垂直な３軸の各方向の力と３軸の各々を中心とするトルクとを検知可能とする力覚センサを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる力覚センサは、固定部と、荷重を受ける受力部と、固定部に設けられた薄板部と、受力部を薄板部に繋げる橋梁部とを有し、受力部が荷重を受けたときに薄板部および橋梁部の少なくとも一方が歪むことによって固定部に対し受力部が移動または回転する起歪体と、受力部に締結されている磁石取付板と、磁石取付板に取り付けられている複数の磁石と、固定部に固定されている基板と、各々が基板に配置されて磁石と１対１で向かい合い、かつ各々が互いに垂直な３軸の各方向における磁束密度を検出する複数の磁気センサと、を備える。

本開示にかかる力覚センサは、簡易な構造にでき、かつ、互いに垂直な３軸の各方向の力と３軸の各々を中心とするトルクとを検知することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる力覚センサの外観を示す斜視図 実施の形態１にかかる力覚センサの分解斜視図 実施の形態１にかかる力覚センサの上面図 実施の形態１にかかる力覚センサの下面図 実施の形態１にかかる力覚センサの断面図 実施の形態１にかかる力覚センサの構成要素である起歪体の斜視図 図４に示す力覚センサから基板および磁気センサが除かれた状態を示す図 実施の形態１にかかる力覚センサの構成要素である基板および磁気センサを示す平面図

以下に、実施の形態にかかる力覚センサを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる力覚センサ１０の外観を示す斜視図である。図２は、実施の形態１にかかる力覚センサ１０の分解斜視図である。図３は、実施の形態１にかかる力覚センサ１０の上面図である。図４は、実施の形態１にかかる力覚センサ１０の下面図である。図５は、実施の形態１にかかる力覚センサ１０の断面図である。

Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに垂直な３軸とする。各軸の方向のうち、矢印の方向をプラス方向、矢印とは逆の方向をマイナス方向とする。実施の形態１では、プラスＺ方向を上方向、マイナスＺ方向を下方向とする。図１に示す力覚センサ１０の外観は、円柱形状である。Ｚ軸は、円柱の高さ方向、すなわち力覚センサ１０の高さ方向の軸である。なお、力覚センサ１０の形状は円柱形状に限られず、適宜変形可能であるものとする。図３には、プラスＺ方向側から見た力覚センサ１０を示す。図４には、マイナスＺ方向側から見た力覚センサ１０を示す。図５に示す断面は、図３に示すＶ－Ｖ線における断面であって、Ｘ軸とＺ軸とに平行な断面である。

力覚センサ１０は、起歪体２０と、起歪体２０のプラスＺ方向側に設けられた受力体３０と、起歪体２０に取り付けられた磁石取付板４０と、起歪体２０および磁石取付板４０のマイナスＺ方向側に設けられた基板５０と、複数の磁石６０と、複数の磁気センサ７０とを備える。受力体３０と起歪体２０と基板５０とは、Ｚ方向において互いに重ね合わせられている。磁石取付板４０は、起歪体２０と基板５０との間に挟み込まれている。

測定対象である力またはトルクといった荷重によって起歪体２０に歪みが生じることで、磁石取付板４０を介して複数の磁石６０のうち少なくとも１つの位置が変化する。磁気センサ７０と磁石６０との相対位置の変化によって、磁気センサ７０で検出される磁束密度が変化する。力覚センサ１０は、磁気センサ７０で検出される磁束密度の変化量に基づいて、加えられた荷重を推定する。

受力体３０は、力覚センサ１０の外部から加えられる外力、すなわち、荷重を受ける構造体である。ＸＹ面において受力体３０の外形は円形である。受力体３０の材料には、アルミニウム合金または鉄鋼材料といった金属材料が使用される。ねじ穴３１は、受力体３０のうちＸ方向およびＹ方向における中心付近に形成されている。ねじ穴３２は、受力体３０のうちＸ方向およびＹ方向における外縁付近に形成されている。図３に示す受力体３０には、４つのねじ穴３１と４つのねじ穴３２とが形成されている。ねじ穴３１の数とねじ穴３２の数とは、任意とする。

図６は、実施の形態１にかかる力覚センサ１０の構成要素である起歪体２０の斜視図である。ＸＹ面において起歪体２０の外形は円形である。起歪体２０の材料には、アルミニウム合金または鉄鋼材料といった金属材料が使用される。起歪体２０は、受力部２１と、４つの橋梁部２２と、４つの薄板部２３と、固定部２５とを備える。

受力部２１は、起歪体２０のうちＸ方向およびＹ方向における中心に設けられている。受力部２１は、図３に示す受力体３０のねじ穴３１にねじ込まれたねじ等の固着具により、受力体３０に締結されている。受力部２１のうちプラスＺ方向側の面は、受力体３０に接する。受力部２１は、受力体３０に印加された荷重を受ける。なお、受力体３０のねじ穴３２には、電動ハンドまたはエアハンド等のロボットハンドといった検出対象と受力体３０とを固定するための固着具であるねじ等がねじ込まれる。受力体３０に受力部２１を締結する固着具と、検出対象に受力体３０を固着する固着具との図示は省略する。

固定部２５は、起歪体２０のうちＸ方向およびＹ方向における外縁を囲う。固定部２５には、４つのねじ穴２４が形成されている。ねじ穴２４には、ロボットのアームといった機器に固定部２５を固定するためのねじ等の固着具がねじ込まれる。機器に固定部２５を固定するための固着具の図示は省略する。

薄板部２３は、可撓性を有する薄板である。薄板部２３は、固定部２５のうち外縁よりも中心側に設けられている。薄板部２３の厚さ方向は、起歪体２０の外形である円の径方向である。薄板部２３は、径方向に垂直な方向へ長い形状である。４つの薄板部２３の各々は、円周方向において等間隔に配置されている。ねじ穴２４は、薄板部２３同士の間に配置されている。

橋梁部２２は、可撓性を有する橋梁である。橋梁部２２は、受力部２１から径方向に延ばされており、受力部２１を薄板部２３に繋げる。径方向における橋梁部２２の一方の端は、受力部２１の外縁に固定されている。径方向における橋梁部２２の他方の端は、薄板部２３の中心に固定されている。４つの橋梁部２２の各々は、受力部２１を中心に十字の各方向へ延ばされており、円周方向において等間隔に配置されている。すなわち、４つの橋梁部２２の各々は、受力部２１の周囲において等間隔に配置されている。

受力体３０を介して受力部２１が荷重を受けることにより、橋梁部２２と薄板部２３とが弾性変形する。橋梁部２２と薄板部２３との弾性変形によって、受力部２１の位置または姿勢が変化する。受力部２１は、初期状態のときの位置から、受力部２１が受けた力の向きへ、受力部２１が受けた力の大きさに応じた距離だけ移動する。または、受力部２１の姿勢は、初期状態のときの姿勢から、受力部２１が受けたトルクの向きへトルクの大きさに応じた回転角だけ変化する。初期状態とは、受力部２１が荷重を受ける前の状態とする。位置とは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸方向における位置とする。姿勢とは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸を中心とする回転による向きの状態とする。

このように、受力部２１が荷重を受けたときに薄板部２３と橋梁部２２とが歪むことによって、固定部２５に対し受力部２１が変位する。固定部２５に対する受力部２１の変位とは、固定部２５に対して受力部２１が移動する場合と、固定部２５に対して受力部２１の姿勢が変化する場合とを含むものとする。受力部２１への荷重の印加が無くなると、橋梁部２２と薄板部２３との復元力により、受力部２１は初期状態の位置および姿勢に戻る。なお、受力部２１が荷重を受けたときに薄板部２３および橋梁部２２の双方が歪む場合に限られず、受力部２１が荷重を受けたときに薄板部２３および橋梁部２２の少なくとも一方が歪むことによって、固定部２５に対し受力部２１が変位する。受力部２１への荷重の印加が無くなると、歪みを生じた要素である橋梁部２２および薄板部２３の少なくとも一方の復元力により、受力部２１は初期状態の位置および姿勢に戻る。

力覚センサ１０の検出感度は、薄板部２３の可撓性と橋梁部２２の可撓性とによって決まる。すなわち、力覚センサ１０の検出感度は、薄板部２３の可撓性と橋梁部２２の可撓性とに依存する。薄板部２３の厚さを薄くするほど、または薄板部２３のＺ方向長さを短くするほど、薄板部２３の可撓性は高くなる。橋梁部２２のＺ方向長さを短くするほど、または橋梁部２２のうちＺ軸および径方向に垂直な方向の長さを短くするほど、橋梁部２２の可撓性は高くなる。ただし、薄板部２３および橋梁部２２の可撓性が高められるほど、検出感度が向上する一方、薄板部２３および橋梁部２２が破損し易くなり、力覚センサ１０の疲労寿命を満足し得なくなる場合がある。薄板部２３および橋梁部２２の可撓性は、検出感度と疲労寿命とを満足し得るように設定される。

磁石取付板４０は、鉄鋼材料により構成される。磁石取付板４０は、磁石６０の磁束密度を増幅させるヨークとして機能する。力覚センサ１０は、ヨークとして機能する磁石取付板４０によって磁石６０の磁束密度を増幅させることで、検出感度を向上させることができる。

図５に示すように、磁石取付板４０は、ねじ等の固着具８１により、受力部２１に締結されている。受力部２１のうちマイナスＺ方向側の面は、磁石取付板４０に接する。固定部２５に対する受力部２１の変位に伴って、磁石取付板４０も固定部２５に対して変位する。固定部２５に対する磁石取付板４０の変位とは、固定部２５に対して磁石取付板４０が移動する場合と、固定部２５に対して磁石取付板４０の姿勢が変化する場合とを含むものとする。受力部２１が初期状態の位置および姿勢に戻ることによって、磁石取付板４０も初期状態の位置および姿勢に戻る。

図７は、図４に示す力覚センサ１０から基板５０および磁気センサ７０が除かれた状態を示す図である。図７に示すＸＹ面において、磁石取付板４０は十字形である。すなわち、磁石取付板４０の４つの部位の各々が十字の各方向へ延ばされている。磁石取付板４０の４つの部位がなす十字は、４つの橋梁部２２がなす十字と同じである。磁石取付板４０のうち十字の中心部が、受力部２１に締結されている。なお、磁石取付板４０は、受力部２１に締結可能であって、かつヨークの機能を満足し得る形状であれば良く、十字形以外の形状であっても良い。磁石取付板４０は、例えばひし形等でも良い。

図４に示す基板５０は、力覚センサ１０のうちマイナスＺ方向側の底面を構成する。基板５０は、起歪体２０のうち固定部２５のみに接触した状態で、固定部２５に固定されている。ねじ穴５１は、基板５０のうちＸ方向およびＹ方向における外縁付近に形成されている。ねじ穴５１の数は、任意とする。図５に示すように、基板５０は、ねじ穴５１にねじ込まれたねじ等の固着具８２により、固定部２５に締結されている。

力覚センサ１０は、図７に示す４つの磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄを備える。なお、磁石６０とは、４つの磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄの各々を区別せずに称したものとする。４つの磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄの各々は、磁石取付板４０に取り付けられている。各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、磁石取付板４０のうち十字の各方向へ延びた４つの部位の各々に１つずつ配置されている。各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、磁石取付板４０のうち基板５０と対向する部分に配置されている。各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、橋梁部２２のマイナスＺ方向側の位置、すなわち橋梁部２２に対し基板５０側の位置に配置されている。各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄのＸＹ面内における位置は、各橋梁部２２のＸＹ面内における位置と一致している。各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、４つの橋梁部２２の各々と同様に、円周方向において等間隔に配置されている。また、各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、受力部２１の中心からいずれも等しい距離の位置に配置されている。

各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、永久磁石または電磁石である。実施の形態１では、各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、中空円筒形状である。各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、中空円筒形状以外の形状であっても良く、空隙の無い円柱形状または角柱形状などでも良い。

図８は、実施の形態１にかかる力覚センサ１０の構成要素である基板５０および磁気センサ７０を示す平面図である。図８には、基板５０と基板５０に配置された磁気センサ７０とをプラスＺ方向側から見た様子を示す。力覚センサ１０は、４つの磁気センサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄを備える。なお、磁気センサ７０とは、４つの磁気センサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄの各々を区別せずに称したものとする。４つの磁気センサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄの各々は、基板５０に配置されて磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄと１対１で向かい合う。

４つの磁気センサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄの各々は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各方向における磁束密度を検出する集積回路である。４つの磁気センサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄの各々は、３つのホール素子を組み合わせたものであっても良い。３つのホール素子の各々は、１軸の方向における磁束密度を検出する。

磁気センサ７０ａは、磁石６０ａと向かい合わせて配置されている。磁気センサ７０ａは、磁石６０ａが形成する磁界の中に配置されている。磁気センサ７０ｂは、磁石６０ｂと向かい合わせて配置されている。磁気センサ７０ｂは、磁石６０ｂが形成する磁界の中に配置されている。磁気センサ７０ｃは、磁石６０ｃと向かい合わせて配置されている。磁気センサ７０ｃは、磁石６０ｃが形成する磁界の中に配置されている。磁気センサ７０ｄは、磁石６０ｄと向かい合わせて配置されている。磁気センサ７０ｄは、磁石６０ｄが形成する磁界の中に配置されている。

磁石取付板４０の変位に伴って磁石６０ａの位置が変化することにより、磁石６０ａと磁気センサ７０ａとの相対位置が変化する。磁石６０ａと磁気センサ７０ａとの相対位置が変化することにより、磁気センサ７０ａによって検出される磁束密度が変化する。力覚センサ１０は、３軸の各方向における磁束密度の変化量を基に、３軸の各方向における磁石６０ａの位置の変化を検出する。このように、磁石６０ａおよび磁気センサ７０ａの組み合わせは、３次元位置センサとして機能する。磁石６０ｂおよび磁気センサ７０ｂと、磁石６０ｃおよび磁気センサ７０ｃと、磁石６０ｄおよび磁気センサ７０ｄとの各組み合わせも、磁石６０ａおよび磁気センサ７０ａの組み合わせと同様に、３次元位置センサとして機能する。

力覚センサ１０は、この４つの３次元位置センサを使用して、基板５０上の４点において磁石６０の位置の変化を検出する。力覚センサ１０は、この４つの３次元位置センサで取得される位置情報を利用することによって、３軸の各方向における受力部２１の移動と、３軸の各々を中心とする受力部２１の回転とを検知する。

受力部２１へ加えられた力の大きさに対する受力部２１の移動量が事前に測定されることによって、力の大きさと移動量との関係を表す変換則が得られる。力覚センサ１０は、かかる変換則を基に、受力部２１の移動量を力の大きさへ変換することによって、受力部２１が受けた力の大きさを求める。また、受力部２１へ加えられたトルクに対する受力部２１の回転量が事前に測定されることによって、トルクと回転量との関係を表す変換則が得られる。力覚センサ１０は、かかる変換則を基に、受力部２１の回転量をトルクへ変換することによって、受力部２１が受けたトルクを求める。これにより、力覚センサ１０は、３軸の各方向の力と３軸の各々を中心とするトルクとを測定する。

各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、受力部２１の中心からいずれも等しい距離の位置に配置されており、かつ等間隔で配置されている。また、各磁気センサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄは、磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄと１対１で向かい合う。このように各磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄおよび各磁気センサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄが配置されていることにより、上記変換則の構成式をより簡易な式とすることができる。

力覚センサ１０は、実施の形態１で説明する構成要素以外に、プラスＺ方向とマイナスＺ方向との各々から力覚センサ１０を覆うカバー等を備える。また、基板５０には、磁気センサ７０に接続された電気回路が設けられる。さらに、力覚センサ１０は、上記変換則に基づく演算を行う演算回路、および、演算結果を表示する表示部等を備える。これらの構成要素には公知のものを使用することができるため、これらの構成要素についての図示および詳細な説明は省略する。

実施の形態１にかかる力覚センサ１０は、上記特許文献１の構成のように起歪体に多数の歪ゲージを貼付する必要がある場合に比べて部品点数を少なくでき、簡易な構成にできる。起歪体に歪ゲージが直接貼付される場合には、歪ゲージに繰り返し力がかかることで接着力が低下し、歪ゲージが剥離するといった問題が生じ得る。力覚センサ１０は、歪ゲージの貼付が不要であることで、かかる問題を回避できる。

上記特許文献２の構成では、複数の板ばねを起歪部としていることから、板ばねの製造ばらつきによってホール素子の応答がばらつく可能性があった。また、上記特許文献２の構成において、板ばねを設ける代わりに、高分子材料からなる弾性体でホール素子と永久磁石の隙間を埋めることとした場合、弾性体に直接力が作用することで、疲労寿命が短くなるという問題があった。実施の形態１にかかる力覚センサ１０は、薄板部２３と橋梁部２２との可撓性を利用して受力部２１の移動および回転を検出するため、製造ばらつきに起因する応答のばらつきを低減できる。また、力覚センサ１０は、高分子材料からなる弾性体で磁石６０と磁気センサ７０との間を埋める必要が無いため、疲労寿命が短くなるという問題を回避できる。

さらに、力覚センサ１０は、磁石取付板４０に取り付けられた複数の磁石６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄと、各々が互いに垂直な３軸の各方向における磁束密度を検出する磁気センサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄを備える。力覚センサ１０は、上記特許文献２の構成の場合と比べて部品点数を増やすこと無く、互いに垂直な３軸の各方向の力と３軸の各々を中心とするトルクとを検知することができる。

以上により、実施の形態１にかかる力覚センサ１０は、簡易な構造にでき、かつ、互いに垂直な３軸の各方向の力と３軸の各々を中心とするトルクとを検知できるという効果を奏する。

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。

１０ 力覚センサ、２０ 起歪体、２１ 受力部、２２ 橋梁部、２３ 薄板部、２４，３１，３２，５１ ねじ穴、２５ 固定部、３０ 受力体、４０ 磁石取付板、５０ 基板、６０，６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ 磁石、７０，７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ 磁気センサ、８１，８２ 固着具。

Claims (4)

1. 固定部と、荷重を受ける受力部と、前記固定部に設けられた薄板部と、前記受力部を前記薄板部に繋げる橋梁部とを有し、前記受力部が前記荷重を受けたときに前記薄板部および前記橋梁部の少なくとも一方が歪むことによって前記固定部に対し前記受力部が移動または回転する起歪体と、
   前記受力部に締結されている磁石取付板と、
   前記磁石取付板に取り付けられている複数の磁石と、
   前記固定部に固定されている基板と、
   各々が前記基板に配置されて前記磁石と１対１で向かい合い、かつ各々が互いに垂直な３軸の各方向における磁束密度を検出する複数の磁気センサと、
   を備えることを特徴とする力覚センサ。
2. 前記起歪体は、複数の前記橋梁部を有し、
   複数の前記橋梁部の各々は、前記受力部の周囲において等間隔に配置されており、
   前記磁石取付板は、前記起歪体と前記基板との間に挟み込まれており、
   複数の前記磁石の各々は、前記磁石取付板のうち前記基板と対向する部分に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記磁石取付板は、鉄鋼材料により構成され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. 複数の前記磁石の各々は、等間隔に配置されており、かつ、前記受力部の中心からいずれも等しい距離の位置に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の力覚センサ。

Images