JP2663144B2

JP2663144B2 - ロボット用グリッパ

Info

Publication number: JP2663144B2
Application number: JP63144380A
Authority: JP
Inventors: 和廣岡田
Original assignee: WAKOO KK
Current assignee: WAKOO KK
Priority date: 1988-06-11
Filing date: 1988-06-11
Publication date: 1997-10-15
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: JPH01316193A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はロボット用グリッパ、特にワークの把持状態
を検出する触覚センサをを備えたロボット用グリッパに
関する。

〔従来の技術〕

産業用ロボットは、現在様々な分野で利用されている
が、このロボットの中でワークを実際に保持する役割を
果たすグリッパの部分は、ワークに適した動作制御が要
求される。例えば、ガラス製品をワークとするグリッパ
では、ボルト・ナットをワークとするグリッパに比べて
より精密な制御が必要になる。

このような精密な制御を行うためには、グリッパに触
覚センサを取付けて、把持力の調整、ワークの存在の有
無、ワークの位置などを検出することが有効である。こ
のような触覚は、一般に接触覚、圧覚、力覚、すべり覚
などに分類される。接触覚センサとしては、マイクロス
イッチやタッチセンサなどが利用されており、圧覚セン
サや力覚センサとしては、歪みゲージや導電ゴムなどが
利用されている。また、すべり覚センサとしては、表面
のすべりには方向性がないために、現在のところ有効な
センサは開発されていない状態である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前述のように従来のロボット用グリッ
パにはいくつかの触覚センサが利用されているが、いず
れも問題点がある。すなわち、マイクロスイッチやタッ
チセンサなどの接触覚センサでは、接触の有無の検知だ
けしかできず、圧覚の検出はできない。また、歪みゲー
ジや導電ゴムなどの圧覚センサや力覚センサは感度が低
く、線形出力が得られないという欠点がある。すべり覚
センサに至っては有効なセンサが無いという状態であ
る。

そこで本発明は、ワークの把持状態を十分に把握する
ことのできる精度の高い触覚センサを備えたロボット用
グリッパを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、ワークを把持するための指部材と、この指
部材を可動自在に支持するハンド部材とを備え、指部材
をハンド部材に対して動かすことによりワークの把持を
行う機能をもち、指部材が、第１節部と、第２節部と、
これらを接続する間接とを有するロボット用グリッパに
おいて、第１節部に接続された支持部と、第２節部に接続され
た作用部と、支持部と作用部との間に形成された可撓部
とを有し、作用部の周囲に可撓部が配置され、可撓部の
周囲に支持部が配置され、支持部の厚みおよび作用部の
厚みに比べて可撓部の厚みを小さく設定することによ
り、可撓部が可撓性を示す構造をなし、作用部の支持部
に対する変位によって機械的変形を生じる起歪体と、機械的変形が伝達されるように起歪体に接合された単
結晶基板と、機械的変形によって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効
果を有し、単結晶基板上に形成された抵抗素子と、を備えた感触センサにより指部材の間接を構成し、ワー
クと指部材との間の把持状態を抵抗素子の電気抵抗値の
変化として検出しうるようにしたものである。

〔作用〕

本発明に用いる触覚センサは、半導体などの単結晶基
板を用いたセンサであり、基板に加わる力に対して、非
常に高精度の線形出力が抵抗素子の電気抵抗値として得
られる。しかも、単結晶基板上での抵抗素子の配列を工
夫することによって、三次元座標系のすべての軸方向の
力およびすべての軸まわりのモーメントの検出が可能に
なる。このため、ワークの把持状態に関する十分な情報
を得ることができる。また、指部材に対しては、単結晶
基板を直接接続せずに、起歪体を介して接続を行ってい
る。したがって、ロボット用グリッパとしての機能に必
要なだけの大きな力が加わっても、単結晶基板は破損す
ることがない。

〔実施例〕

実施例の構造以下、本発明を図示する実施例に基づいて説明する。
第１図は本発明の一実施例に係るロボット用グリッパを
示す図であり、同図（ａ）はグリッパ先端部の側面図、
同図（ｂ）はその部分拡大断面図である。このグリッパ
は、ワークを把持するための２本の指部材100と、この
２本の指部材を可動自在に支持するハンド部材200とを
有する。指部材100は図の破線に示すようにハンド部材2
00に対して摺動し、両者の間にワークを挟持する働きを
する。ハンド部材200内部には、指部材100を駆動するた
めのリンク機構、油圧機構などが設けられているが、こ
こではこれらの機構の説明は省略する。

指部材100は、第１図（ｂ）に示すように、第１節部1
10、間接120、第２節部130の３つの部分から構成されて
いる。第１節部110および第２節部130は、金属などの剛
体で構成されている。間接120は、単結晶基板10と起歪
体20とを主たる構成要素とする触覚センサであり、起歪
体20の周囲の部分（支持部）はビス30によって第１節部
110に取付けられ、中央の部分（作用部）には、ねじ部1
31によって第２節部130が取付けられている。起歪体20
の周囲の支持部と中央の作用部との間には、肉薄の可撓
部が形成されており、第１節部110と第２節部130との間
に力が加わると、この可撓部が撓み、支持部と作用部と
の間に変位が生じることになる。この変位によって、単
結晶基板10に歪みが生じる。この単結晶基板10上には抵
抗素子が形成されており、歪みによってこの抵抗素子の
電気抵抗が変化することになる。結局、第１節部110と
第２節部130との間に加わった力は、単結晶基板10上の
抵抗素子の電気抵抗の変化として検出することができ
る。単結晶基板10からは外部配線用の電極13を介して電
気信号が外部に取り出される。

触覚センサの構造続いて、上述の実施例において、間接120として用い
た触覚センサの構造と詳細を説明する。第２図（ａ）
は、この触覚センサの側断面図、同図（ｂ）は上面図で
ある。ここで、Ｘ軸,Y軸,Z軸を図の方向に定義するもの
とする。第２図（ａ）は同図（ｂ）に示すセンサをＸ軸
に沿って切断した断面図に相当する。

このセンサにおいて、シリコンの単結晶基板10上に
は、合計12個の抵抗素子Ｒが形成されている。抵抗素子
Rx1〜Rx4はＸ軸上に配されＸ軸方向の力検出に用いら
れ、抵抗素子Ry1〜Ry4はＹ軸上に配されＹ軸方向の力検
出に用いられ、抵抗素子Rz1〜Rz4はＸ軸に平行でこの近
傍にある軸上に配されＺ軸方向の力検出に用いられる。
各抵抗素子Ｒの具体的な構造およびその製造方法につい
ては後に詳述するが、これら抵抗素子Ｒは機械的変形に
よってその電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有する
素子である。

この単結晶基板10は起歪体20に接着されている。第２
図に示す例では、起歪体20は周囲の支持部21と、可撓性
をもたらせるために肉厚を薄くした可撓部22と、中心に
突出した作用部23とから構成される。起歪体20材質とし
ては、コバール（鉄、コバルト、ニッケルの合金）が用
いられている。コバールはシリコン単結晶基板10とほぼ
同程度の熱膨張率を有するため、単結晶基板10に接着さ
れていても、温度変化によって生じる熱応力が極めて小
さいという利点を有する。起歪体20の材質、形状は、上
述のものに限定されるわけではなく、ここに示す実施例
は最適な一態様にすぎない。なお、この起歪体20には取
付孔24が設けられており、ここを通してビス止めされ
る。

各抵抗素子には第３図に示すような配線がなされる。
すなわち、抵抗素子Rx1〜Rx4は第３図（ａ）示すような
ブリッジ回路に組まれ、抵抗素子Ry1〜Ry4は第３図
（ｂ）に示すようなブリッジ回路に組まれ、抵抗素子Rz
1〜Rz4は第３図（ｃ）に示すようなブリッジに組まれ
る。各ブリッジ回路には電源50から所定の電圧または電
流が供給され、各ブリッジ電圧は電圧計51〜53によって
測定される。各抵抗素子Ｒに対してこのような配線を行
うため、第２図に示すように単結晶基板10上で各抵抗素
子Ｒに電気的に接続されているボンディングパッド11と
外部配線用の電極13とが、ボンディングワイヤ12で接続
される。電極13は配線孔25を通して外部に導出されてい
る。

触覚センサの原理第２図（ａ）において、作用部23先端の作用点Ｓに力
を加えると、起歪体20にこの加えた力に応じた応力歪み
が生じることになる。前述のように可撓部22は肉厚が薄
く可撓部を有するため、作用部23と支持部21との間に変
位が生じ、各抵抗素子Ｒが機械的に変形することにな
る。この変形によって各抵抗素子Ｒの電気抵抗が変化
し、結局、加えた力は第３図に示す各ブリッジ電圧の変
化として検出される。

第４図に、応力歪みと抵抗素子Ｒの電気抵抗の変化と
の関係を示す。ここでは、説明の便宜上、単結晶基板10
の起歪体20の作用部23のみを図示し、図の左から右に４
つの抵抗素子R1〜R4が形成されている場合を考える。ま
ず、第４図（ａ）に示すように、作用点Ｓに力が加わら
ないときは、単結晶基板10の応力歪みは加わらず、すべ
ての抵抗素子の抵抗変化は０である。ところが下方向の
力F1が加わると、単結晶基板10が図のように機械的に変
形することになる。いま、抵抗素子の導電型をＰ型とす
れば、この変形によって、抵抗素子R1およびR4は伸びて
抵抗が増え（＋記号で示すことにする）、抵抗素子R2お
よびR3は縮んで抵抗が減る（−記号で示すことにする）
ことになる。また、右方向の力F2が加わると、単結晶基
板10が図のように機械的に変形することになる。（実際
には単結晶基板10に対し、力F2はモーメント力として作
用する）。この変形によって、抵抗素子R1およびR3は伸
びて抵抗が増え、抵抗素子R2およびR4は縮んで抵抗が減
ることになる。なお、各抵抗素子Ｒは図の横方向を長手
方向とする抵抗素子であるため、図の紙面に垂直な方向
に力を加えた場合は、各抵抗素子ともに抵抗値の変化は
無視できる。このように、本センサでは加わる力の方向
によって抵抗素子の抵抗変化特性が異なることを利用し
て、各方向の力を独立して検出するものである。

触覚センサの動作以下、第５図〜第７図を参照して、上述の触覚センサ
の動作を説明する。第５図はＸ軸方向に力が加わった場
合、第６図はＹ軸方向に力が加わった場合、第７図はＺ
軸方向に力が加わった場合、の各抵抗素子に加わる応力
（伸びる方向を＋、縮む方向を−、変化なしを０で示
す）をそれぞれ示したものである。各図では、第２図に
示すセンサをＸ軸に沿って切った断面を（ａ）、Ｙ軸に
沿って切った断面を（ｂ）、そしてＸ軸に平行で素子Rz
1〜Rz4に沿って切った断面を（ｃ）として示すことにす
る。

まず、第５図（ａ），（ｂ），（ｃ）の矢印Fx（第５
図（ｂ）では紙面に垂直な方向）で示すようなＸ軸方向
の力が加わった場合を考えると、それぞれ図示する極性
の応力が発生する。この応力の極性は第４図の説明から
容易に理解できよう。各抵抗素子Ｒには、この応力に対
応した抵抗変化が生じる。たとえば、抵抗素子Rx1の抵
抗は減り（−）、抵抗素子Rx2の抵抗は増え（＋）、抵
抗素子Ry1の抵抗は変化しない（０）。また、それぞれ
第６図および第７図の矢印FyおよびFzで示すようなＹ軸
およびＺ軸方向に力が加わった場合は、図示するような
応力が発生する。

結局、加わる力と各抵抗素子の変化の関係を表にまと
めると、表１のようになる。

ここで、抵抗素子Ｒが第３図に示すようなブリッジを
構成していることを考慮に入れると、加わる力と各電圧
計51〜53の変化の有無は表２のような関係になる。

抵抗素子Rz1〜Rz4は抵抗素子Rz1〜Rz4とほぼ同じ応力
変化を受けるが、第３図に示すようにブリッジ構成が両
者異なるため、電圧計51と電圧計53とは異なった応答を
する点に注意されたい。結局、電圧計51、52、53は、そ
れぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の力に応答することにな
る。なお、表２では変化の有無だけを示したが、加わる
力の方向によって変化の極性が支配され、また加わる大
きさによって変化量が支配されることになる。

６軸成分が検出可能な触覚センサの構造前述の触覚センサでは、各軸方向についての力とモー
メントとを明確に区別していなかったが、ここで述べる
触覚センサは、各軸方向に作用する力と各軸まわりに作
用するモーメントとをそれぞれ別個に検出することがで
きる。すなわち６軸成分の検出が可能である。以下、こ
のセンサを６軸成分センサとよぶ。

第８図はこの６軸成分センサの上面図、第９図は第８
図に示す装置を切断線Ａ−Ａに沿って切った断面図であ
る。この実施例では、起歪体210の表面上に16組の抵抗
素子群R1〜R16が形成されている。起歪体210はシリコン
の単結晶基板からなり、抵抗素子群R1〜R16は、それぞ
れ複数の抵抗素子の集合であり、各抵抗素子は、この単
結晶基板上に不純物を拡散することによって形成され
る。このようにして形成した抵抗素子はピエゾ抵抗効果
を示し、機械的変形によって電気抵抗が変化する性質を
もっている。

起歪体210は、周辺に円環状に形成された固定部211
と、４つの架橋部212〜215、およびこの４つの架橋部21
2〜215が結合した作用部216と、から構成されている。
固定部211は外部に対して固定され、作用部216の中心に
ある作用点Ｐに検出すべき力またはモーメントが加えら
れる。固定部211が外部に固着されているため、作用点
Ｐに力またはモーメントが加わると、この力またはモー
メントに応じた応力歪みが架橋部212〜215に生じ、抵抗
素子群R1〜R16に電気抵抗の変化が生じる。本装置は、
この電気抵抗の変化に基づいて力およびモーメントの検
出を行うものである。本実施例では、各抵抗素子は大き
さ、形状、材質が等しく、すべて等しい抵抗値を有す
る。また、応力歪みに基づく抵抗変化率もすべて等し
い。

いま、第８図および第９図に示すように、作用部216
の中心にある作用点ＰをXYZ三次元座標系の原点とし、
Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸を図のように定義するものとする。す
なわち、第８図で図の右方をＸ軸正方向に、下方をＹ軸
正方向に、紙面に垂直下方をＺ軸正方向に、それぞれ定
義するものとする。作用部216の上下には、作用体221お
よび222が取付けられており、作用点Ｐに作用する力お
よびモーメントはすべてこの作用体221および222を介し
て与えられることになる。ここで、作用点Ｐに関して、
Ｘ軸方向に加わる力をＦX、Ｙ軸方向に加わる力をＦY、
Ｚ軸方向に加わる力をＦZ、Ｘ軸回りに加わるモーメン
トをＭX、Ｙ軸回りに加わるモーメントをＭY、Ｚ軸回り
に加わるモーメントをＭZとすれば、各力およびモーメ
ントは第９図の各矢印で示す方向に定義される。すなわ
ち、Ｘ軸方向に加わる力ＦXは作用体221および222をと
もに図の右方に動かすような力になり、Ｙ軸方向に加わ
る力ＦYは作用体221および222をともに図の紙面に垂直
上方に動かすような力になり、Ｚ軸方向に加わる力ＦZ
は作用体221および222をともに図の下方に動かすような
力になる。また、Ｘ軸回りのモーメントＭXは作用体221
を紙面に垂直上方に、作用体222を紙面に垂直下方に動
かすようなモーメントに、Ｙ軸回りのモーメントＭYは
作用体221を図の左方に、作用体222を図の右方に動かす
ようなモーメントに、Ｚ軸回りのモーメントＭZは作用
体221および222をともに装置上方からみて時計回りに動
かすようなモーメントになる。

16組の抵抗素子群R1〜R16は、第８図に示すようなシ
ンメトリックな位置に配される。すなわち、架橋部212
にはR1〜R4が、架橋部213にはR5〜R8が、架橋部214には
R9〜R12が、架橋部215にはR13〜R16が、それぞれ設けら
れている。各架橋部についてみると、固定部211の近傍
に一対、作用部216の近傍に一対の抵抗素子群が設けら
れ、各一対の抵抗素子群はＸ軸またはＹ軸を狭んで両側
に設けられている。

このような16組の抵抗素子群を用い、第10図（ａ）〜
（ｆ）に示すような６とおりのブリッジが形成されてい
る。各ブリッジには、それぞれ電源230が接続され、ま
た、ＦX,FY,FZ,MX,MY,MZに比例した電圧VFX,VFY,VFZ,VM
X,VMY,VMZをブリッジ電圧として出力する電圧計241〜24
6が接続されている。

なお、このブリッジ回路図で示されている各抵抗素子
の記号は、その抵抗素子群の中の１つの抵抗素子を意味
しており、同一記号が付されている抵抗素子であっても
それらは同一の抵抗素子群に属する別な抵抗素子を意味
するものとする。たとえばR1は第10図（ｂ）と（ｄ）の
２つのブリッジで用いられているが、実は第８図のR1の
位置には２つの抵抗素子が配されており、異なるブリッ
ジでは異なる抵抗素子が用いられる。

以下、説明の便宜上、抵抗素子群Rx（ｘ＝１〜16）に
属する１抵抗素子を示すのにも、同一記号Rxを用いるこ
とにする。

６軸成分センサの動作以下、上述の装置の動作について説明する。第８図に
示すような抵抗素子の配置を行うと、作用点Ｐに力また
はモーメントＦX,FY,FZ,MX,MY,MZが加わったときに、各
抵抗素子R1〜R16は第11図に示す表（各抵抗素子はＰ型
の半導体から成るものとする。）のような電気抵抗変化
を生じる。ここで“0"は変化なし、“＋”は電気抵抗の
増加、“−”は電気抵抗の減少を示す。

ここで、第11図のような結果が得られる理由を第12図
〜第17図を参照して簡単に説明する。第12図〜第17図
は、作用点Ｐに力またはモーメントＦX,FY,FZ,MX,MY,MZ
が加わったときに、架橋部に生じる応力歪みおよび電気
抵抗の変化を示す図で、各図（ａ）は架橋部の上面図、
各図（ｂ）は正断面図、各図（ｃ）は側断面図である。
たとえば、第12図では、作用点ＰにＸ軸方向の力ＦXが
作用したときの状態が示されている。力ＦXにより架橋
部214は伸び、架橋部215は縮むことになる。したがっ
て、架橋部214にある抵抗素子（R9〜R12）は伸びて電気
抵抗が増加し（Ｐ型半導体の場合）、架橋部215にある
抵抗素子（R13〜R16）は縮んで電気抵抗が減少する。架
橋部212および213にある抵抗素子は、配置位置によって
伸びたり縮んだりする。結局、第11図の表第１欄のよう
な結果が得られることが容易に理解できよう。以下、第
13図〜第17図を参照すれば、第11図の表第２欄〜第６欄
の結果が得られることも理解できよう。

さて、ここで各抵抗素子R1〜R16によって第10図に示
すようなブリッジが構成されていることを考慮すれば、
作用点Ｐに加わるＦX,FY,FZ,MX,MY,MZと、電圧計241〜2
46に現れる検出電圧VFX,VFY,VFZ,VMX,VMY,VMZとの関係
は第18図に示す表のようになる。ここで“0"は電圧変化
が生じないことを示し、“V"は加わる力またはモーメン
トに依存した電圧変化が生じることを示す。電圧変化の
極性は加わる力またはモーメントの向きに依存し、電圧
変化の大きさは加わる力またはモーメントの大きさに依
存することになる。

第18図に示すような表が得られることは、第10図の回
路図でブリッジのそれぞれ対辺となる抵抗素子の抵抗値
の積が互いに等しい場合に、電圧変化がないことを考え
れば容易に理解できよう。たとえば、力ＦXが加わった
場合、各抵抗素子は第11図の表第１欄のような電気抵抗
の変化を生じる。ここで第10図（ａ）を参照すると、R
9,R10,R11,R12はともに抵抗値が増加し、R13,R14,R15,R
16はともに抵抗値が減少する。したがって、対辺となる
抵抗素子の抵抗値の積に大きな差が生じ、電圧変化“V"
が検出されることになる。一方、第10図（ｂ）〜（ｆ）
のブリッジ回路においては、ブリッジ電圧に変化は生じ
ない。たとえば、第10図（ｂ）の回路では、R1が“−”
であればR2が“＋”となり、各枝ごとに抵抗変化が相殺
されてしまう。このように、力ＦXの作用はVFXにのみ影
響を及ぼし、VFXの測定によって力ＦXを独立して検出す
ることができる。

以上、結局第18図の表において、対角成分のみが“V"
であり、それ以外はすべて“0"であるということは、何
ら演算を行うことなしに、各検出値を直接電圧計の読み
として得ることができることを示している。

なお、上述のようなブリッジを構成することによっ
て、応力以外の要因に基づく抵抗変化の影響を打消すこ
とができる。たとえば、温度によって各抵抗素子の電気
抵抗が変化するが、ブリッジを構成するすべての抵抗素
子がほぼ同等に変化するため、この温度変化の影響は相
殺されるのである。したがって、このブリッジ構成によ
ってより高精度の測定を行うことができるようになる。

第２図に示す触覚センサのかわりに、ここで説明した
６軸成分センサを用い、６軸成分についての検出データ
を得るようにすれば、ワークの把持状態についてのより
詳細な情報を得ることができる。この場合、第１図
（ｂ）において、節部110に６軸成分センサの固定部210
を接続し、節部130に６軸成分センサの作用部216を接続
するか、あるいはこれと全く逆の接続を行えばよい。

ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子の製造続いて、上述のセンサに用いる抵抗素子の製造方法の
一例を簡単に述べる。この抵抗素子はピエゾ抵抗効果を
有し、半導体基板上に半導体プレーナプロセスによって
形成されるものである。まず、第19図（ａ）に示すよう
に、Ｎ型のシリコン基板401を熱酸化し、表面に酸化シ
リコン層402を形成する。続いて同図（ｂ）に示すよう
に、この酸化シリコン層402を写真蝕刻法によってエッ
チングして、開口部403を形成する。続いて同図（ｃ）
に示すように、この開口部403からほう素を熱拡散し、
Ｐ型拡散領域404を形成する。なお、この熱拡散の工程
で、開口部403には酸化シリコン層405が形成されること
になる。次に同図（ｄ）に示すように、CVD法によって
窒化シリコンを堆積させ、窒化シリコン406を保護層と
して形成する。そして同図（ｅ）に示すように、この窒
化シリコン406および酸化シリコン層405に写真蝕刻法に
よってコンタクトホールを開口した後、同図（ｆ）に示
すように、アルミニウム配線層407を蒸着形成する。そ
して最後にこのアルミニウム配線層407を写真蝕刻法に
よってパターニングし、同図（ｇ）に示すような構造を
得る。

なお、上述の製造工程は一例として示したものであ
り、本発明に用いるセンサは要するにピエゾ抵抗効果を
有する抵抗素子であればどのようなものを用いても実現
可能である。

ロボット用グリッパとしての動作以上、本発明に係るロボット用グリッパに用いる触覚
センサの構造およびその動作について詳述したが、次に
この触覚センサを備えたロボット用グリッパの動作を説
明する。第20図は、このロボット用グリッパによってワ
ーク500を把持した状態を示す図である。前述のよう
に、２本の指部材100は、ハンド部材200によって可動自
在に支持されており、図のようにワーク500を両側から
保持するように２本の指部材100でワーク500を挟むこと
ができる。この例では、ワーク500は接触点P1,P2におい
て、２本の指部材100に接触することになる。ワーク500
を保持するためには、この接触点P1,P2において力が存
在することになる。すなわち、接触点P1に生じる力によ
って作用点S1に力が加わり、作用点P2に生じる力によっ
て作用点S2に力が加わることになる。前述のように間接
120は、触覚センサを構成しており、起歪体20を有す
る。作用点に力が加わると、可撓性をもった起歪体20が
撓み、加わった力の方向および大きさが電気信号として
取出されることになる。単結晶基板10を用いた触覚セン
サは非常に高精度な線形出力を得ることができ、この出
力信号に基づいて、ワーク500に対する接触圧の正確な
値を求めることができる。前述のように触覚センサは、
接触点に作用する力を三次元方向の成分ごとに検出する
機能を有するため、接触点におけるワークの面方向につ
いての情報も得ることができる。

ここで、触覚センサが検出した物理量は実際にはモー
メント力である。いま、第21図のような模式図におい
て、ワーク500が500aの位置にある場合と500bにある場
合とを考える（実際には、ワーク500は２本の指部材に
挟持されているが、ここでは説明の便宜上、その一方だ
けを考えることにする）。いずれの場合にも、第２節部
130が常に一定の力Ｆでワーク500を押さえつけていると
すると、間接（触覚センサ）120が検知するモーメント
力は、ワーク500aに対しては、Ｍ（ａ）＝Ｋ・Ｆ・ｌであり、ワーク500bに対しては、Ｍ（ｂ）＝Ｋ・Ｆ・（ｌ−Δｌ）となる。ここでＫは定数である。したがって、距離ｌの
位置に力Ｆで保持していたはずのワーク500が距離Δｌ
だけ滑って動いた場合であっても、上２式に基づいて、
滑った距離Δｌを演算によって求めることができるので
ある。この機能は、従来のセンサでは測定ができなかっ
たすべり覚の測定を行う機能に他ならない。

また、間接に前述の６軸成分センサを用いれば、ワー
ク500を押さえつけている力が変化した場合でも、すべ
り覚の測定が可能になる。すなわち、ワーク500aに対し
ては力F1が押さえており、ワーク500bに対しては力F2で
押さえていた場合、Ｍ（ａ）＝Ｋ・F1・ｌＭ（ｂ）＝Ｋ・F2・（ｌ−Δｌ）となるが、６軸成分センサではＭ（ａ）,M（ｂ）,F1,F2
をそれぞれ別個に検出できるため、やはり上二式に基づ
いて、滑った距離Δｌを演算することができる。

第22図は、指部材100を多数の節部で構成した実施例
を示す図である。前述の実施例と同様に、２本の指部材
100がハンド部材200によって支持されている。ハンド部
材200には、第１節部110が回動自在に取付けられてお
り、この第１節部110に間接120が接続され、この間接12
0に第２節部130が接続されている。この第２節部130は
更に駆動間接部140に回動自在に接続されている。この
駆動間接部140には更に第１節部110が回動自在に取付け
られており、以下、上述の各部材の繰返しにより指部材
100が構成される。駆動間接部140には、例えばリンク機
構や油圧機構などが設けられており、その両側に接続さ
れた第１節部110と第２節部130とのなす角を調整するこ
とができる。このような構造のグリッパでは、より人間
の指に近い把持動作が可能であり、複数の間接120によ
ってそれぞれの間接に加わる力が検出できる。

別な実施例第23図（ａ）は、本発明の別な実施例に係るロボット用
グリッパを示す図であり、同図（ａ）はグリッパ先端部
の側面図、同図（ｂ）はその部分拡大断面図である。こ
のグリッパでは、ハンド部材200に２本の指部材150が支
持されている点は上述の実施例と同じであるが、触覚セ
ンサ160が、指部材150のワーク支持面に形成されてい
る。触覚センサ160の構成は、前述の実施例で間接120と
して用いた触覚センサと同様であり、起歪体20の周囲
が、ビス30によって指部材150に固定される。なお、単
結晶基板10の外部との間の配線は、フレキシブルプリン
ト基板60によって行われる。触覚センサ160中央部先端
には、接触板170がねじ部171によって固定されている。

第24図に示すように、指部材150を複数の節部150a〜
ｃと、これらを接続する駆動間接部180によって構成
し、人間の指の動作に近付けるようにしてもよい。この
ように触覚センサを配置すれば、各部の接触圧が電気信
号として検出できる。また、前述の実施例と同様に、す
べり覚の検出も可能である。すなわち、第25図（ａ）に
示すように、ワーク500が500aの位置にあれば、接触点P
1において接触板170との間の接触がなされるため、触覚
センサ160の単結晶基板10は図のようなモーメント力M2
を検出することになる。これに対して、第25図（ｂ）に
示すように、ワーク500が500bの位置にあれば、接触点P
2において接触板170との間の接触がなされるため、触覚
センサ160の単結晶基板10は図のようなモーメント力M2
を検出することになる。したがって、ワーク500が500a
から500bへの滑った場合、検出値の変化からこれを認識
することができる。

加速度が作用している場合のすべり覚検出加速度が作用している場合には、三次元加速度センサ
を併用することによって、すべり覚の検出が可能にな
る。この原理を第26図を参照して説明する。いま、質量
ｍのワーク500が図のように把持されている場合を考え
る。ここでは、モデルを単純化するためにワーク500の
重心Ｇと接触点Ｐとが、ともに触覚センサ160の中心軸
上にあるものとする。そして接触板170はワーク500を力
Ｆで押さえているものとする。この場合、接触点Ｐに作
用する鉛直方向の力Fvは、 Fv＝mg/2 であり、水平方向の力Fhは、 Fh＝Ｆである。ここで、ｇは重力加速度である。

いま、この系全体が車両に搭載されるなどして、更に
鉛直方向の加速度αが作用している場合を考える。この
場合、接触点Ｐに作用する力をダッシュを付して表せ
ば、 Fv′＝ｍ（ｇ＋α）/2 Fh′＝Ｆとなる。ここで、更に鉛直方向にすべりが生じた場合
に、接触点Ｐに作用する力をダッシュを２つ付してF
v″,Fh″と表せば、 Fh″＝Fh′＝Ｆであるが、 Fv″≠Fv′ である。接触点Ｐに作用する力は、触覚センサ160によ
って検出できるから、Fv″≠Fv′であることが認識でき
れば、加速度作用条件下においても、すべりの有無の判
断が可能である。

作用する加速度αを検出するには、どのような三次元
加速度センサを利用してもよい。第26図に示す例では、
加速度センサ600を用いている。この加速度センサ600
は、前述の触覚センサとほぼ同様の構成をもっている。
すなわち、起歪体20上に単結晶基板10が形成されてお
り、起歪体20に生じた歪みを単結晶基板10上の電気抵抗
の変化として検出できる。ただ、起歪体20の中央の作用
部先端には、重錘体70が接続されており、起歪体20の周
囲の支持部は、支持台80によってグリッパ本体700に固
着されている。また、上部には保護のための蓋90が被せ
られている。加速度が作用すると、重錘体70に力が作用
するため、これを単結晶基板10上の抵抗素子の電気抵抗
の変化として検出することができる。

〔発明の効果〕

以上のとおり本発明によれば、ロボット用グリッパに
おいて、単結晶基板上に設けられた抵抗素子と、この抵
抗素子に機械的変形を生じさせる起歪体とを備える触覚
センサを取付けるようにしたため、ワークの把持状態を
十分に把握することのできる精度の高い制御が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るロボット用グリッパの
構造を示す図、第２図は第１図に示すグリッパに用いる
触覚センサを示す図、第３図は第２図に示す触覚センサ
の配線図、第４図〜第７図は第２図に示す触覚センサの
動作原理を示す図、第８図は６軸成分センサの上面図、
第９図は第８図の装置を切断線Ａ−Ａで切った断面図、
第10図は第８図に示す装置の各抵抗素子を用いて形成し
た６つのブリッジの回路図、第11図は第８図に示す装置
の各抵抗素子の変化を示す図表、第12図は第８図に示す
装置にＸ軸方向の力が作用したときの状態を示す図、第
13図は第８図に示す装置にＹ軸方向の力が作用したとき
の状態を示す図、第14図は第８図に示す装置にＺ軸方向
の力が作用したときの状態を示す図、第15図は第８図に
示す装置にＸ軸まわりのモーメントが作用したときの状
態を示す図、第16図は第８図に示す装置にＹ軸まわりの
モーメントが作用したときの状態を示す図、第17図は第
８図に示す装置にＺ軸まわりのモーメントが作用したと
きの状態を示す図、第18図は第８図に示す装置において
検出すべき力と検出電圧との関係を示す図表、第19図は
第２図に示す触覚センサを構成する単結晶基板の製造方
法の一例を示す図、第20図および第21図は第１図に示す
グリッパの動作説明図、第22図は第１図に示すグリッパ
の変形例を示す図、第23図は本発明の別な一実施例に係
るロボット用グリッパの構造を示す図、第24図は第23図
に示すグリッパの変形例を示す図、第25図は第23図に示
すグリッパの動作説明図、第26図は第23図に示すグリッ
パに加速度が作用した場合の動作説明図である。 10……単結晶基板、11……ボンディングパッド、12……
ボンディングワイヤ、13……外部配線用の電極、20……
起歪体、21……支持部、22……可撓部、23……作用部、
24……取付孔、25……配線孔、30……ビス、50……電
源、60……フレキシブルプリント基板、70……重錘体、
80……支持台、90……蓋、100……指部材、110……第１
節部、120……間接、130……第２節部、131……ねじ
部、140……駆動間接部、160……触覚センサ、170……
接触板、180……駆動間接部、200……ハンド部材、201
……起歪体、211……固定部、212〜215……架橋部、216
……作用部、221,222……作用体、230……電源、241〜2
46……電圧計、401……シリコン基板、402……酸化シリ
コン層、403……開口部、404……Ｐ型拡散領域、405…
…酸化シリコン層、406……窒化シリコン層、407……ア
ルミニウム配線層、500……ワーク、600……加速度セン
サ、700……グリッパ本体、Ｓ……作用点、Ｒ……抵抗
素子。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ワークを把持するための指部材と、この指
部材を可動自在に支持するハンド部材とを備え、前記指
部材を前記ハンド部材に対して動かすことによりワーク
の把持を行う機能をもち、前記指部材が、第１節部と、
第２節部と、これらを接続する間接とを有するロボット
用グリッパにおいて、前記第１節部に接続された支持部と、前記第２節部に接
続された作用部と、前記支持部と前記作用部との間に形
成された可撓部とを有し、前記作用部の周囲に前記可撓
部が配置され、前記可撓部の周囲に前記支持部が配置さ
れ、前記支持部の厚みおよび前記作用部の厚みに比べて
前記可撓部の厚みを小さく設定することにより前記可撓
部が可撓性を示す構造をなし、前記作用部の前記支持部
に対する変位によって機械的変形を生じる起歪体と、前記機械的変形が伝達されるように前記起歪体に接合さ
れた単結晶基板と、機械的変形によって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果
を有し、前記単結晶基板上に形成された抵抗素子と、を備えた触覚センサにより前記指部材の間接を構成し、
ワークと前記指部材との間の把持状態を前記抵抗素子の
電気抵抗値の変化として検出しうるようにしたことを特
徴とするロボット用グリッパ。
【請求項２】請求項１に記載のロボット用グリッパにお
いて、 XYZ三次元座標系において、単結晶基板に作用した各座
標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを検出
することができるように、各軸について少なくとも４つ
の抵抗素子が設けられ、この４つの抵抗素子によってそ
れぞれブリッジが形成されていることを特徴とするロボ
ット用グリッパ。