WO2019078314A1

WO2019078314A1 - 力覚センサ及び該センサを備える装置

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Publication number: WO2019078314A1
Application number: PCT/JP2018/038907
Authority: WO
Inventors: 直哉小川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: JP7059426B2; EP3699568A1; JP2021128176A; CN111936834A; US11402285B2; JP2019078561A; EP3699568B1; EP3699568A4; CN111936834B; US20200240865A1; JP6896585B2

Abstract

外部から作用した力を検出する力覚センサ１００に関し、小型化と低コスト化が可能な力覚センサ１００を提供する。力覚センサ１００は、支持部２０と、外力の作用により支持部２０に対して変位する受力部４と、支持部２０と受力部４とを連結する弾性連結部５と、弾性連結部５に配置された検出対象体であるスケール８ａ～８ｄと、スケール８ａ～８ｄと１対１で対向するように支持部２０を構成するセンサ基板７に実装され、スケール８ａ～８ｄの移動を検出する変位検出素子９ａ～９ｄとを備える。

Description

力覚センサ及び該センサを備える装置

　本発明は、外部から作用した力を検出する力覚センサ及び該センサを備える装置に関する。

　産業用ロボットのアームや医療用等のマニピュレータの各部に作用する外力を検出する手段として力覚センサが使用されている。力覚センサの一例として、光学式変位センサを使用した６軸力覚センサが特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された力覚センサは、支持部と、受力部と、これらを連結する弾性連結部と、支持部と受力部との間に配置される変位方向変換機構とを備える。変位方向変換機構には検出対象体が設けられており、検出対象体に対向するように支持部に設けられた変位検出素子で検出対象体の移動を検出する。例えば、支持部が固定された状態で受力部に外力が作用すると、弾性連結部が弾性変形して、支持部に対して外力の方向と大きさに応じた変位が受力部に生じる。このとき、変位方向変換機構も受力部の変形に伴って変形するが、変位方向変換機構の変位部の変位方向は、受力部の変位と直交する方向に変位する。

特許第５６０２５８２号公報

　上述の従来技術に係る力覚センサでは、支持部、受力部及び弾性連結部に加え、別途、変位を変換するための変位方向変換機構を設け、且つ、その変位方向変換機構に検出対象体を設ける必要がある。そのため、部品点数が増加し、組み立て工程も複雑となるため、小型化と低コスト化が容易ではない。

　本発明は、小型化と低コスト化が可能な力覚センサ及び該センサを備える装置を提供することを目的とする。

　本発明に係る力覚センサによれば、支持部と、外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、前記弾性連結部に配置された複数の検出対象体と、前記複数の検出対象体と１対１で対向するように前記支持部に配置され、前記検出対象体の移動を検出する複数の変位検出素子と、を備え、前記弾性連結部は、前記支持部に対する前記受力部の第１の方向の変位によって該第１の方向と交差する方向に変位する変位部を有し、前記変位部に前記検出対象体が配置されていることを特徴とする。

　本発明によれば、力覚センサの小型化と低コスト化を実現することができる。

　［図１］本発明の第１実施形態に係る力覚センサの外観斜視図である。
　［図２Ａ~図２Ｃ］図１の力覚センサの概略構造を示す断面図及び裏面図である。
　［図３］図１の力覚センサを構成するセンサ基板の上面の構造を示す平面図である。
　［図４Ａ~図４Ｃ］本発明の第２実施形態に係る力覚センサの概略構造を示す断面図及び裏面図である。
　［図５］図４Ａ~図４Ｃの力覚センサを構成するセンサ基板の上面の構造を示す平面図である。
　［図６Ａ~図６Ｈ］本発明の第３実施形態に係る力覚センサの弾性連結部の断面図である。

　以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る力覚センサ１００の外観斜視図である。力覚センサ１００は、略円柱形状の本体２と円板形状の下蓋１とを備え、本体２の下面は下蓋１によって封止されている。説明の便宜上、図１に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定め、各軸について矢印が向かう方向を＋方向とする。Ｚ軸は力覚センサ１００の厚み方向と平行な方向であり、Ｚ軸と平行で力覚センサ１００の中心（後述する受力部４の中心）を通る軸を中心軸Ｌと規定する。Ｘ軸とＹ軸は互いに直交し、且つ、Ｚ軸と直交する。

　図２Ａは、中心軸Ｌを含むＺＸ面での力覚センサ１００の断面図である。図２Ｂは、図２Ａ中に矢視Ａ−Ａで示す断面での断面図である。図２Ｃは、本体２から下蓋１及びセンサ基板７を取り外した状態で−Ｚ方向から＋Ｚ方向へ向けて本体２を見た平面図（裏面図）である。力覚センサ１００は、３軸力覚センサであり、Ｆｚ（Ｚ方向の力）、Ｍｘ，Ｍｙ（Ｘ軸まわりのモーメント、Ｙ軸まわりのモーメント）の検出が可能である。ここで、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の各方向は各図中に示す通りである。

　本体２は、円筒部材６と、円筒部材６に接続された弾性連結部５と、弾性連結部５に接続された受力部４とを備える。円筒部材６の内部にはセンサ基板７が固定されており、円筒部材６の下面には下蓋１が固定されている。円筒部材６及び下蓋１により支持部２０が構成される。なお、本実施形態では、センサ基板７が円筒部材６に固定されて円筒部材６に対して不動の部品となるため、センサ基板７を支持部２０に含めることとする。

　支持部２０と受力部４は弾性連結部５で連結されており、よって、受力部４は、支持部２０に対してＺ方向へ変位可能であり、且つ、Ｘ軸まわり及びＹ軸まわりに傾斜可能となっている。力覚センサ１００は、支持部２０のうち円筒部材６及び／又は下蓋１が不図示の基台等に取り付けられると共に受力部４が不図示のロボットのアームやマニピュレータに取り付けられて、使用される。力覚センサ１００では、受力部４は、円板部と、円板部の一方の平面の中心部から突出する円柱部とを有しており、円板部の他方の平面がロボットのアームやマニピュレータに取り付けられ、円柱部が弾性連結部５を介して円筒部材６と連結されている。

　力覚センサ１００では、４つの弾性連結部５が支持部２０と受力部４との間にＺ方向から見たときに略十字型となるように設けられている。換言すれば、弾性連結部５は、中心軸Ｌを中心とし、ＸＹ面内において９０度間隔で放射状に、４カ所に配置されている。検出対象体であるスケール８ａ~８ｄが、Ｚ方向において略同じ高さとなるように（つまり、略同一平面上に位置するように）、４つの弾性連結部５にそれぞれ１つずつ配置されている。また、センサ基板７には、スケール８ａ~８ｄと１対１でＺ方向において対向するように、変位検出素子９ａ~９ｄが実装されている。スケール８ａ~８ｄがＺ方向において略同じ高さとなるように配置され、且つ、センサ基板７における部品の実装面はＸＹ面と略平行であるため、各スケール８ａ~８ｄと対応する各変位検出素子９ａ~９ｄとの間の距離は略同一となる。変位検出素子９ａ~９ｄはそれぞれ、例えば、フォトダイオード等の受光素子である。なお、弾性連結部は４つではなく３つとして１２０度間隔で配置されるなど、個数に応じて中心軸Ｌを中心にして略等間隔で放射状に配置する構成も可能である。

　受力部４に外力Ｆｚが作用すると、受力部４は支持部２０に対してＺ方向に変位する。また、受力部４にモーメントＭｘが作用すると受力部４にはＸ軸まわりの傾斜が生じ、受力部４にモーメントＭｙが作用すると受力部４にはＹ軸まわりの傾斜が生じる。受力部４に変位や傾斜が生じると、受力部４に連結されている弾性連結部５に傾きが生じ、これに伴ってスケール８ａ~８ｄに傾斜が生じる。

　こうしてスケール８ａ~８ｄに生じた傾斜を変位検出素子９ａ~９ｄで検出することにより、受力部４に作用した外力及びモーメントを検出する方法について説明する。図３は、センサ基板７の上面の構成を示す平面図である。センサ基板７上には、光源１０ａ~１０ｄがそれぞれ、変位検出素子９ａ~９ｄと対応するように配置されている。光源１０ａ~１０ｄはそれぞれ、変位検出素子９ａ~９ｄと一体形成されて実装されていてもよいし、変位検出素子９ａ~９ｄとは別体で実装されていてもよい。

　光源１０ａ~１０ｄはそれぞれ、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。変位検出素子９ａ~９ｄはそれぞれ、検出面である複数の受光面がストライプ状に配列されて構成される。不図示であるが、スケール８ａ~８ｄはそれぞれ、ガラス等の基板と、その表面又は裏面に形成された金属等の反射膜からなる格子で構成されている。スケール８ａ~８ｄはそれぞれ、変位検出素子９ａ~９ｄと対向するように配置されている。光源１０ａ~１０ｄからそれぞれスケール８ａ~８ｄへ発散光束を照射すると、スケール８ａ~８ｄからの反射光は、変位検出素子９ａ~９ｄ上に明暗の縞である回折光のパターンを形成する。したがって、スケール８ａ~８ｄが変位検出素子９ａ~９ｄの受光面の配列方向に傾くと、これに伴って、変位検出素子９ａ~９ｄ上の回折光のパターンも移動する。この回折光のパターンの移動を検出することにより、スケール８ａ~８ｄの傾き量を検出することができ、スケール８ａ~８ｄの傾き量から外力の３成分である外力Ｆｚ、モーメントＭｘ，Ｍｙを演算によって求めることができる。

　以上の説明の通り、力覚センサ１００では、スケール８ａ~８ｄが弾性連結部５に設置されているために別途に変位変換機構を設ける必要がない。また、スケール８ａ~８ｄはそれぞれ、同一方向（−Ｚ方向）を向いて配置され、これに対応するように、変位検出素子９ａ~９ｄをスケール８ａ~８ｄに対向するようにセンサ基板７に実装すればよいため、組み立てが容易である。こうして、力覚センサ１００では、小型化と低コスト化を実現することができる。

　なお、本実施形態ではスケール８ａ~８ｄ（検出対象体）の変位を光学的に検出する手法を用いたが、検出対象体の変位を検出する手法はこれに限定されるものではなく、例えば、静電容量式や磁歪式の検出手段を用いてもよい。静電容量式を用いる場合、検出対象体が検出素子に対して変位することに伴う検出対象体と検出素子との間の静電容量の変化を検出することによって検出対象体の変位量を検出することができる。また、磁歪式を用いる場合、検出対象体が変位することによる磁場の変化を検出素子により検出することで検出対象体の変位量を検出することができる。

　＜第２実施形態＞
　次に、本発明の第２実施形態に係る力覚センサ１００Ａについて説明する。力覚センサ１００Ａの外観は、第１実施形態で説明した力覚センサ１００の外観（図１参照）と同等であるため、ここでの図示と説明を省略する。また、力覚センサ１００Ａの構成部品であって第１実施形態で説明した力覚センサ１００の構成部品と機能が同じものについては、同じ名称を用いて同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

　図４Ａは、本発明の第２実施形態に係る力覚センサ１００Ａの概略構成を示す断面図である。図４Ａは、図２Ａと同様に、中心軸Ｌを含むＺＸ面での力覚センサ１００Ａの断面図である。図４Ｂは、図４Ａ中に矢視Ｂ−Ｂで示す断面での断面図である。図４Ｃは、本体２（円筒部材６）から下蓋１及びセンサ基板７を取り外した状態で−Ｚ方向から＋Ｚ方向へ向けて本体２（円筒部材６）を見た平面図（裏面図）である。

　力覚センサ１００Ａは６軸力覚センサであり、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ（Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ方向の外力）、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ（Ｘ軸まわり，Ｙ軸まわり，Ｚ軸まわりのモーメント）を検出することができる。力覚センサ１００Ａでは、受力部４と支持部２０は弾性連結部５Ａで連結されており、支持部２０に対して受力部４はＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の各方向で変位と傾斜が可能となっている。

　４つの弾性連結部５Ａの配置形態は、第１実施形態に係る力覚センサ１００での４つの弾性連結部５の配置形態と同じである。４つの弾性連結部５Ａはそれぞれ、Ｚ方向に下に凸となる略Ｕ字形状を有しており、略Ｕ字形状の外側底面においてセンサ基板７と対向する位置に検出対象体であるスケール８Ａａ~８Ａｄが配置されている。また、受力部４においてＺ方向から見たときに４つの弾性連結部５Ａによって分けられる４つの象限のうち中心軸Ｌについて対称な２つの象限に対応する領域には、センサ基板７へ向けて突出する突起部１１ｅ~１１ｈが設けられている。なお、ＸＹ面において、突起部１１ｅと突起部１１ｇは中心軸Ｌについて点対称となる位置に設けられており、突起部１１ｆと突起部１１ｈは中心軸Ｌについて点対称となる位置に設けられている。

　突起部１１ｅ~１１ｈのそれぞれの先端に、センサ基板７と対向するように検出対象体であるスケール８Ａｅ~８Ａｈが配置されている。スケール８Ａａ~８Ａｈは、Ｚ方向において略同じ高さとなるように配置されている。また、センサ基板７には、スケール８Ａａ~８Ａｈと対向するように、変位検出素子９Ａａ~９Ａｈが実装されている。

　弾性連結部５Ａは、変位方向変換機能を有する。すなわち、弾性連結部５Ａの略Ｕ字形状の底部は、受力部４のＺ方向（第１の方向）の変位によって支持部２０に対して交差するＸ方向又はＹ方向（第２の方向）に変位する変位部となっている。具体的には受力部４を押圧し、受力部４に−Ｚ方向の外力Ｆｚが入力されると、円筒部材６と弾性連結部５Ａの境界を支点に弾性連結部５Ａが沈み込むため、略Ｕ字形状の部位が上記支点に対して弧を描き、すなわち−Ｚ方向とともに＋Ｙ方向へ変位する。したがって、弾性連結部５Ａに設置されたスケール８Ａａは＋Ｙ方向へ、スケール８Ａｂは＋Ｘ方向へ、スケール８Ａｃは−Ｙ方向へ、スケール８Ａｄは−Ｘ方向へそれぞれ変位する。受力部４にモーメントＭｘが入力された場合、スケール８Ａａ，８ＡｃはともにＹ方向に変位し、その際、＋Ｙ方向への変位か−Ｙ方向への変位かはモーメントＭｘの向きによって決まる。受力部４にモーメントＭｙが入力された場合、スケール８Ａｂ，８ＡｄはＸ方向に変位し、その際、＋Ｘ方向への変位か−Ｘ方向への変位かはモーメントＭｙの向きによって決まる。また、受力部４に外力Ｆｘが入力された場合、スケール８Ａｅ~８ＡｈはＸ方向を外力Ｆｘと同じ向きに変位する。受力部４に外力Ｆｙが入力された場合、スケール８Ａｅ~８ＡｈはＹ方向を外力Ｆｙと同じ向きに変位する。受力部４にモーメントＭｚが入力された場合、スケール８Ａｅ，８Ａｇは実質的にＸ方向に、スケール８Ａｆ，８Ａｈは実質的にＹ方向に変位を生じ、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの正方向への変位か負方向への変位かはモーメントＭｚの向きによって決まる。

　図５は、センサ基板７の上面の構成を示す平面図である。センサ基板７上には、光源１０Ａａ~１０Ａｈがそれぞれ変位検出素子９Ａａ~９Ａｈと対応するように配置されている。光源１０Ａａ~１０Ａｈはそれぞれ、第１実施形態で説明した光源１０ａと同等である。スケール８Ａａ~８Ａｈはそれぞれ、第１実施形態で説明したスケール８ａと同等である。変位検出素子９Ａａ~９Ａｈはそれぞれ、第１実施形態で説明した変位検出素子９ａと同等である。変位検出素子９Ａａ~９Ａｈにおいて隣り合う変位検出素子同士では、受光面の方向（ストライプの方向）が一致している。

　第１実施形態と同様に、スケール８Ａａ~８Ａｈは、光源１０Ａａ~１０Ａｈが発生する発散光束を反射し、変位検出素子９Ａａ~９Ａｈ上に明暗の縞である回折光のパターンを形成する。変位検出素子９Ａａ~９Ａｈの受光面の配列ピッチは、回折光のパターンの１／４周期と一致するように作成されている。従って、スケール８Ａａ~８Ａｈが変位検出素子９Ａａ~９Ａｈの受光面の配列方向に変位すると、これに伴って回折光のパターンも移動する。それにより、変位検出素子９Ａａ~９Ａｈの受光面からは９０度の位相差を持った２相の正弦波状信号（ｓｉｎ及びｃｏｓ）が得られ、得られた信号の逆正接演算（ｔａｎ−１）を行えばスケール８Ａａ~８Ａｈの上述した方向の変位量を検出することができる。こうして検出された変位量から外力の６成分であるＦｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを演算によって求めることができる。

　以上の説明の通り、力覚センサ１００Ａでは弾性連結部５Ａが変位変換機能（変位部）を有するために、別途に変位変換機構を設ける必要がなく、しかも、力覚センサ１００Ａは第１実施形態に係る力覚センサ１００と同様の特徴を有する。よって、力覚センサ１００Ａでは、小型化と低コスト化を実現することができる。なお、本実施形態ではスケール８Ａａ~８Ａｄ（検出対象体）の変位を光学的に検出する手法を用いたが、検出対象体の変位を検出する手法はこれに限定されるものではなく、静電容量式や磁歪式の検出手段を用いても構わない。

　＜第３実施形態＞
　本発明の第３実施形態では、弾性連結部の変形例について説明する。第３実施形態に係る力覚センサにおいて、弾性連結部を除く部分の構成は上記第１実施形態又は上記第２実施形態に係る力覚センサ１００，１００Ａに準ずるものとし、ここでの説明を省略する。

　図６Ａは、本発明の第３実施形態に係る力覚センサが備える弾性連結部の第１の例（弾性連結部５Ｂ）の断面図である。なお、図６Ａは、図４Ａに対応するＺＸ断面で示されている。弾性連結部５Ｂは、−Ｚ方向に突出した突起部を有し、突起部の先端にスケール８ａ（第１実施形態で説明したスケール８ａと同じ）が配置されている。受力部（不図示）に例えば外力−Ｆｚの入力があると、弾性連結部５Ｂの受力部側の端部（図６Ａの左側の端部）が変位量Ｕだけ−Ｚ方向に変位する。すると、弾性連結部５Ｂの突起部の先端に配置されたスケール８ａは、受力部側の端部とは反対側の端部の方向へ変位量Ｖだけ変位する。この変位を変位検出素子（不図示）で検出することにより、外力−Ｆｚを算出することができる。そして、その他の方向の外力が入力された場合については、該外力は第１実施形態及び第２実施形態と同様に算出することができる。

　第３実施形態に係る弾性連結部は、概略、受力部４と円筒部材６とを連結する方向（Ｘ方向及びＹ方向）と直交する方向（Ｚ方向）に、弾性連結部５Ｂのように、変位検出素子へ向かって突出する少なくとも１つの凸形状部を有している。そして、その凸形状部の先端面にスケールが配置される。このような凸形状部は、Ｚ方向での弾性連結部と受力部との連結位置を弾性連結部と円筒部材との連結位置をずらすことによって形成してもよいし、Ｚ方向において弾性連結部に凹凸を設けることによって形成してもよく、これらの幾つかの例を以下に説明する。

　図６Ａと同様の断面図で示す図６Ｂ~図６Ｈの弾性連結部５Ｃ~５Ｉは、第３実施形態に係る力覚センサの第２の例から第８の例を示している。なお、図６Ｂ~図６Ｇは、図４Ａに対応するＺＸ断面で示されている。図６Ｈは、右側の図がＸ方向又はＹ方向から見た図であり、左側の図が右側の図に示す矢視Ｃ−Ｃの断面図である。弾性連結部の断面形状は、弾性連結部５Ｃ~５Ｉに示した例のように、受力部が受けた外力に対して変形することでスケールに所定の方向の変位量が生じるものであればよい。よって、図６Ａ~図６Ｈに示した弾性連結部５Ｂ~５Ｉの形状は一例であって、弾性連結部の断面形状はこれらに限定されるものではない。

　＜その他の実施形態＞
　以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。さらに、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。例えば、上記実施形態では、力覚センサの全体的な形状を円柱形状（円板形状）としたが、これに限らず、例えば、円筒部材６に代えて、多角筒状の部材（六角筒状、八角筒状等）を用いてもよく、受力部４についても多角形状の部材を用いてもよい。なお、その場合でも、中心軸Ｌについて点対称な構造とすることが望ましい。本発明は、産業用ロボットのアームや医療用等のマニピュレータをはじめ、上記の力覚センサと力覚センサを備える基部を備えた装置に好適に利用可能である。

　２　　本体
　４　　受力部
　５，５Ａ~５Ｉ　　弾性連結部
　６　　円筒部材
　７　　センサ基板
　８ａ~８ｄ，８Ａａ~８Ａｈ　　スケール
　９ａ~９ｄ，９Ａａ~９Ａｈ　　変位検出素子
　２０　　支持部
　１００，１００Ａ　　力覚センサ

Claims

　支持部と、
　外力の作用により前記支持部に対して変位する受力部と、
　前記支持部と前記受力部とを連結する弾性連結部と、
　前記弾性連結部に配置された複数の検出対象体と、
　前記複数の検出対象体と１対１で対向するように前記支持部に配置され、前記検出対象体の移動を検出する複数の変位検出素子と、を備え、
　前記弾性連結部は、前記支持部に対する前記受力部の第１の方向の変位によって該第１の方向と交差する方向に変位する変位部を有し、
　前記変位部に前記検出対象体が配置されていることを特徴とする力覚センサ。
　前記弾性連結部は、少なくとも１つの凸形状部を有しており、
　前記凸形状部の先端面に前記検出対象体が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。
　前記複数の変位検出素子が略同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚センサ。
　前記弾性連結部は、前記受力部を中心にして略同一平面上に位置するように等間隔で放射状に配置されており、
　前記弾性連結部のそれぞれに１つの前記検出対象体が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　前記変位検出素子は、前記検出対象体の変位を光学的に検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　前記変位検出素子は、前記検出対象体との間の静電容量の変化を検出することにより前記検出対象体の変位を検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　前記変位検出素子は、磁場の変化を検出することにより前記検出対象体の変位を検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　前記受力部は、円板部と、該円板部の一方の平面の中心部から突出する円柱部を有し、
　前記支持部は、円筒部材を有し、
　前記円柱部が前記弾性連結部を介して前記円筒部材と連結されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　前記検出対象体と前記変位検出素子とが対向する方向と平行な、前記受力部の中心軸について対称な構造を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の力覚センサ。
　請求項１乃至９のいずれか１項に記載の力覚センサと、
　前記力覚センサを備えた基部と、
を備える装置。