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公開番号2024112411
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-21
出願番号2023017386
出願日2023-02-08
発明の名称力覚センサ
出願人国立大学法人埼玉大学
代理人弁理士法人山王坂特許事務所
主分類G01L 5/1627 20200101AFI20240814BHJP(測定;試験)
要約【課題】少ない加工手順で製造が可能な簡素な構成の起歪体を用いて、感度よく力やモーメントを計測できる6軸力覚センサを提供する。
【解決手段】起歪体と、起歪体に取り付けられ歪み検出部とを有する。起歪体は、直方体であって、側面を第1貫通孔と、第2貫通孔が貫通している。第1貫通孔および第2貫通孔の起歪体の側面における開口は、直方体の側面の両脇の辺との距離が、辺の1箇所または所定の範囲においてその周辺よりも接近する形状である。歪み検出部は、開口が脇の辺と最接近する位置よりも予め定めた距離だけ底面に近い当該側面上の領域、および/または、最接近する位置よりも予め定めた距離だけ直方体の上面に近い当該側面上の領域に取り付けられ、取り付けられた領域の歪みを検出する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
起歪体と、前記起歪体に取り付けられ、前記起歪体の歪を電気信号に変換して出力する複数の歪み検出部とを有する力覚センサであって、
前記起歪体は、直方体と、当該直方体の４つの側面のうち対向する２つの側面を貫通するように設けられた第１貫通孔と、前記第１貫通孔が貫通する２つの側面に対して直交する残りの２つの側面を貫通するように設けられた第２貫通孔とを有し、前記直方体の底面が物体に支持され、上面に検出すべき力が加えられ、
前記第１貫通孔および第２貫通孔は、所定の内壁形状を有し、前記第１貫通孔および第２貫通孔の前記直方体の側面における開口の形状は、前記開口の縁と前記直方体の側面の両脇の辺との距離Ｌが、当該辺における１つの位置Ｍ、または、所定の長さの範囲Ｍ１～Ｍ２において、その周辺よりも小さく、最小距離Ｌminとなる形状であり、
前記歪み検出部は、前記４つの側面のそれぞれにおいて、前記位置Ｍ、または、所定の長さの範囲Ｍ１～Ｍ２よりも予め定めた距離Ｐだけ前記底面に近い当該側面上の領域Ｒ
ｂ
、および／または、前記位置Ｍ、または、所定の長さの範囲Ｍ１～Ｍ２よりも予め定めた距離Ｐだけ前記直方体の上面に近い当該側面上の領域Ｒ
ｕ
に取り付けられ、取り付けられた領域の歪みを検出することを特徴とする力覚センサ。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
請求項１に記載の力覚センサであって、前記歪み検出部は、前記位置Ｍ、または、所定の長さの範囲Ｍ１～Ｍ２の高さの、前記第１貫通孔および前記第２貫通孔の内壁面にそれぞれ、さらに取り付けられ、当該内壁面の歪を検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の力覚センサであって、前記距離Ｐは、前記直方体の前記側面の横幅Ｗの０．１倍以上０．２５倍以下であることを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の力覚センサであって、前記第１および第２貫通孔の開口径は、前記直方体のその開口が設けられた側面の横幅Ｗの０．６倍以上０．８倍以下であることを特徴とする力覚センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の力覚センサであって、前記第１および第２貫通孔の開口径は、前記横幅Ｗの０．６倍以上０．６６倍未満であり、
前記距離Ｐは、前記横幅Ｗの０．１５倍以上０．２５倍以下であることを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
請求項４に記載の力覚センサであって、前記第１および第２貫通孔の開口径は、前記横幅Ｗの０．６６倍以上０．７２倍未満であり、
前記距離Ｐは、前記横幅Ｗの０．１倍以上０．２倍以下であることを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
請求項４に記載の力覚センサであって、前記第１および第２貫通孔の開口径は、前記横幅Ｗの０．７２倍以上０．８倍以下であり、
前記距離Ｐは、前記横幅Ｗの０．１倍以上０．２５倍以下であることを特徴とする力覚センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の力覚センサであって、前記距離Ｐは、前記横幅Ｗの０．１倍以上０．１５倍以下であるの範囲に位置することを特徴とする力覚センサ。
【請求項９】
請求項２に記載の力覚センサであって、複数の前記歪み検出部に接続された信号処理部をさらに有し、
前記信号処理部は、複数の前記歪み検出部の出力する電気信号から、前記起歪体の前記第１貫通孔および第２貫通孔のそれぞれの中心軸方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向）、および、前記起歪体の上面の法線方向（ｚ軸方向）の力、ならびに、それぞれの前記中心軸および前記法線方向の周りのモーメントを検出し、出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の力覚センサであって、前記起歪体は、金属および樹脂のうちの少なくとも一方から構成されていることを特徴とする力覚センサ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、起歪体を用いた６軸力覚センサに関する。
続きを表示（約 1,500 文字）【背景技術】
【０００２】
力覚センサは、ロボットの手先等に装着され、検出するセンサであり、高難易度のタスクをロボットが遂行する際等に使用される。３次元空間における３軸の力と３軸の回転力を両方計測する６軸力覚センサが最も一般的に利用されている。力覚を検知するために、起歪体と呼ばれるひずみを生み出す構造体を用い、起歪体のひずみを歪ゲージ等のデバイスで計測する構成のものが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、中央の柱を、その周囲に配置した４本の柱の側面から延伸させた接続用梁によって宙に浮かせた状態に支持し、中央の柱の上部と４本の柱の上部に設けた梁に、プレート状のセンサチップを搭載した力覚センサが開示されている。４本の柱は、応力集中を抑制する観点から、向かい合う側面が円弧形状に形成されている。センサチップは、基板に複数のスリットを設けることにより形成した複数の検知用梁を備え、複数の検知用梁にそれぞれ、歪み検出素子を配置した構成である。起歪体に加わった力により５つの柱に生じた変位によって、その上に搭載されたセンサチップの検知用梁に歪みが生じ、検出素子は、検知用梁の歪みを検出することにより、起歪体に加わった力とモーメントを検出する。
【０００４】
一方、特許文献２には、４本の柱の上面と下面に板状部材を固定した力覚センサが提案されている。４本の柱の複数個所に貫通孔が設けられ、貫通孔が設けられた位置の側面にひずみゲージが取り付けられ、貫通孔によって肉薄となった柱の歪みを検出する。また、上面の板状部材の上面や側面にも貫通溝や貫通孔が設けられている。貫通溝により肉薄となった板状部材の上面にひずみゲージが取り付け、板状部材の歪みを検出する構成である。
【０００５】
歪ゲージ式の力覚センサについて、製造過程の単純化について述べた文献や特許は少ない。例えば、Ｕｂｅｄａらは、非常に簡単な加工作業と、標準的な工具、経済的な設備で製造が可能な１軸トルクセンサを開発した（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特許第６９４００３７号公報
特許第３１７５０３４号公報
【非特許文献】
【０００７】
Ubeda, Rodrigo Perez, et al. "Design and manufacturing of an ultra-low-cost custom torque sensor for robotics." Sensors 18.6 (2018): 1786.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
手先の力やトルクを測定することにより、ロボットは環境や人間とのインタラクションに適した動作ができるようになる。従来の力覚センサは、組立や研磨などの限定的な環境でのみ使用されてきたが、ロボットの研究が盛んになるにつれ、バイオメカニクスや遠隔操作、医療用など他分野での需要が高まっている。しかし、6軸力覚センサの起歪体は、複雑な構造ゆえに製造コストが高いものが多く、普及の妨げになっている。
【０００９】
具体的には、特許文献１，２に記載されている起歪体を用いる力覚センサは、いずれも起歪体の構造が複雑であり、かつ、精密さが要求される構造である。そのため、加工に多くのコストを要する。
【００１０】
また、非特許文献1の１軸トルクセンサは、非常に単純な構造であるものの、関節トルクの測定用に設計されたものであり、その他5成分の計測はできない。
（【００１１】以降は省略されています）

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