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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024112411
(43)【公開日】2024-08-21
(54)【発明の名称】力覚センサ
(51)【国際特許分類】
G01L 5/1627 20200101AFI20240814BHJP
【ＦＩ】
G01L5/1627
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023017386
(22)【出願日】2023-02-08
(71)【出願人】
【識別番号】504190548
【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000888
【氏名又は名称】弁理士法人山王坂特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】辻 俊明
(72)【発明者】
【氏名】河原 嵩剛
【テーマコード（参考）】
2F051
【Ｆターム（参考）】
2F051AA10
2F051AB09
2F051DA03
2F051DB03
(57)【要約】 （修正有）
【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
【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Ｒｂ、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Ｒｕ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。
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Ｒｂ、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Ｒｕ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。
【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。
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。
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。
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。
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】
請求項１に記載の力覚センサであって、前記第１貫通孔および第２貫通孔の内壁形状は、円筒形または角柱形状であることを特徴とする力覚センサ。
【請求項12】
請求項１に記載の力覚センサであって、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は、円形または矩形であることを特徴とする力覚センサ。
【請求項13】
請求項１に記載の力覚センサであって、前記第１貫通孔および第２貫通孔の開口の中心は、当該開口が設けられた前記側面の幅方向の中心に位置することを特徴とする力覚センサ。
【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。
【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】
【特許文献1】特許第６９４００３７号公報
【特許文献2】特許第３１７５０３４号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】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】
本発明の目的は、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ことにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記目的を達成するために、本発明によれば、起歪体と、起歪体に取り付けられ、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が提供される。起歪体は、直方体と、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第１貫通孔と、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、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る。第１貫通孔および第２貫通孔は、所定の内壁形状を有する。第１貫通孔および第２貫通孔の直方体の側面における開口の形状は、開口の縁と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となる形状である。歪み検出部は、４つの側面のそれぞれにおいて、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だけ底面に近い当該側面上の領域Ｒｂ、および／または、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だけ直方体の上面に近い当該側面上の領域Ｒｕに取り付けられ、取り付けられた領域の歪みを検出する。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、起歪体が、直方体に第１貫通孔と第２貫通孔を設けた構成であるため、起歪体を少ない加工手順で効率よく製造できる。しかも、この起歪体の側面の所定の領域に歪み検出部を取り付けることにより、起歪体に生じた歪みを感度よく検出でき、起歪体に加わった力やモーメントを高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の一実施形態の力覚センサの斜視図。
【図3】実施形態の力覚センサの歪み検出部に接続される回路図。
【図4】（ａ）～（ｃ）は、一実施形態の力覚センサの開口形状を説明する図。
【図5】実施形態の力覚センサの歪み検出部を位置Ｍより上面寄りにも設けた例を示す斜視図。
【図6】（ａ）および（ｂ）本実施形態の力覚センサに生じる歪みの分布を示す斜視図。
【図7】（ａ）および（ｂ）本実施形態の力覚センサにおいて、歪み検出部ｒ１等を配置する領域を示す説明図。
【図8】実施例の開口径の異なる種々の力覚センサの起歪体を示す斜視図。
【図9】（ａ）実施例の力覚センサの起歪体の側面上の歪み計測点を示す説明図、（ｂ）実施例の力覚センサの起歪体の第１および第２貫通孔の内壁面の歪み計測点を示す説明図。
【図10】実施例の起歪体５０と比較例の起歪体に、ｘ軸方向に力Ｆｘを２０００Ｎ印加した場合の各計測点のα８を示すグラフ。
【図11】実施例の起歪体５０と比較例の起歪体にｚ軸周りのモーメントＭｚを８０Ｎｍ印加した場合の各計測点のα８を示すグラフ。
【図12】実施例の開口比率が０．６～０．６６の起歪体に、ｚ軸周りのモーメントＭｚを印加した場合の各計測点のα８を示すグラフ。
【図13】実施例の開口比率が０．６６～０．７２の起歪体に、ｚ軸周りのモーメントＭｚを印加した場合の各計測点のα８を示すグラフ。
【図14】実施例の開口比率が０．７２～０．８の起歪体に、ｚ軸周りのモーメントＭｚを印加した場合の各計測点のα８を示すグラフ。
【図15】実施例の起歪体のサイズが種々異なる場合に、ｘ、ｙ、ｚ方向に力Ｆと、ｚ軸周りのモーメントＭｚをそれぞれ印加した場合の各計測点のα８を示すグラフ。
【図16】（ａ）実施例の起歪体５０に力Ｆｘを印加した状態で、さらにモーメントＭｘ、Ｍｙ，Ｍｚを印加した場合の最細部の位置Ｍの内壁の歪み量を示すグラフ、（ｂ）最細部の位置Ｍからずれた位置の内壁の歪み量を示すグラフ。
【図17】実施例において製造した力覚センサの画像。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。
【0016】
本実施形態の力覚センサの構造について、図１、図２および図３等を用いて説明する。図１は、力覚センサの斜視図であり、図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。なお、図２においては、歪み検出部の厚みを強調して描いている。図３は、力覚センサの歪み検出部に接続される回路図の一例である。
【0017】
本実施形態の力覚センサ１００は、起歪体５０と、起歪体５０に取り付けられた複数の歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５とを備えて構成される。
【0018】
起歪体５０は、直方体８０に第１貫通孔６１と第２貫通孔６２を設けた形状である。第１貫通孔６１は、直方体８０の４つの側面８１～８４のうち対向する２つの側面８１、８３を貫通するように形成されている。また、第１貫通孔６１が貫通する２つの側面８１，８３に対して直交する残りの２つの側面８２，８４を貫通するように、第２貫通孔６２が形成されている。
【0019】
起歪体５０は、直方体８０の底面６０が物体に支持され、上面に検出すべき力が加えられる。例えば、起歪体５０の上面には、ロボットの指先部分が取り付けられ、起歪体５０の底面６０は、ロボットの腕部分に接続される。
【0020】
起歪体５０は、力を受けて歪みを生じる材質から構成されている。例えば、金属、樹脂、セラミックス等により起歪体５０を構成することができる。起歪体５０の材質は、加工が容易であることが好ましい。このため、起歪体５０は金属および樹脂の少なくとも一方から構成されていることが望ましい。なお、起歪体５０は、１種類の材料から構成されているものに限られず、２種類以上の材料の組み合わせによって構成されていてもよい。例えば、起歪体５０の上半分が金属、下半分が樹脂から構成されている場合のように、起歪体５０の一部が他の部分とは異なる材料によって構成されていてもよい。
【0021】
第１貫通孔６１および第２貫通孔６２は、所定の内壁形状を有している。加工を容易にするため、第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の内壁は、柱状であることが好ましい。
【0022】
第１貫通孔６１の、直方体８０の側面８１における開口６１ａの形状は、図４（ａ）に示すような形状である。具体的には、開口６１ａの形状は、開口６１ａの縁と直方体８０の側面８１の両脇の辺９１、９４との距離Ｌが、当該辺の1つの位置Ｍにおいてその周辺７２，７３よりも小さく、最小距離Ｌminとなるように設計されている。直方体８０の逆側の側面８３における第１貫通孔６１の開口６１ａの形状も同様に、開口６１ｂの縁と両脇の辺９３，９２との距離Ｌが、位置Ｍにおいて最小距離Ｌminとなるように設計されている。また、第２貫通孔６２の、直方体８０の側面８２における開口６２ａの形状も、開口６２ａの縁と両脇の辺９２、９１と距離Ｌが、位置Ｍにおいて最小距離となるように設計されている。同様に設計されている。第２貫通孔６２の、直方体８０の側面８４における開口６２ｂの形状も、開口６２ｂの縁と両脇の辺９４、９３と距離Ｌが、位置Ｍにおいて最小距離Ｌminとなるように設計されている。
【0023】
上述のように、起歪体５０は、軸方向が直交する第１貫通孔６１および第２貫通孔６２が直方体８０を貫いた形状であるため、図２に断面を示すように、起歪体５０の四隅に直方体８０の一部が残り、柱状体５１～５４を形成している。また、第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口６１ａ、６２ａは、位置Ｍにおいて、側面８１～８４の両脇の辺９１～９４に最接近しているため、起歪体５０の柱状体５１～５４の幅（径）は、位置Ｍにおいて最も狭くなっている。すなわち、柱状体５１～５４は、位置Ｍにおいてくびれている。
【0024】
【0025】
なお、第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の内壁形状は、直方体８０の側面８１～８４における開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの形状が、側面８１～８４の両脇の辺９１～９４との距離Ｌが、1箇所（位置Ｍ）においてその周辺７２，７３よりも小さく（最接近）、最小距離Ｌminする形状であればよい。
【0026】
よって、開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの形状は、上記要件を満たしていればどのような形状であってもよく、図４（ａ）のような円形に限らず、楕円形であってもよいし、図４（ｂ）のように四角形や多角形であってもよい。また、四角形や多角形の角は図４（ｂ）のように丸みを帯びた形状であってもよい。
【0027】
さらに、開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの形状は、側面８１～８４の両脇の辺９１～９４との距離Ｌが、1点（位置Ｍ）のみでは、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２にわたって、周辺よりも小さく（最接近）、最小距離Ｌminとなる形状でもよい。すなわち、図４（ｃ）のように、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２にわたって最小距離Ｌminとなる開口形状であってもよい。この場合、柱状体５１～５４の幅（径）は、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２にわたってくびれている。
【0028】
第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの中心は、その開口が設けられた側面８１～８４の幅方向の中心に位置することが望ましい。これにより、開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの縁と側面８１～８４の両脇の辺９１～９４との距離が、左右対称になる。なお、高さ方向については、第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂが、側面８１～８４内にあればよく、開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの中心が側面８１～８４の高さ方向の中心からずれていてもよい。
【0029】
一方、起歪体５０の４つの側面８１～８４には、図１および図２に示したように、開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの縁と側面８１～８４の両脇の辺９１～９４との間に、起歪体５０の歪みを検出する歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５が備えられている。
【0030】
これら起歪体５０の側面８１～８４に備えられた歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５は、両脇の辺９１～９４と開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂとが最接近する位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２よりも予め定めた距離Ｐだけ、起歪体５０の底面６０に近い側面８１～８４上の領域Ｒｂ、および／または、最接近する位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２よりも予め定めた距離Ｐだけ起歪体５０の上面７０に近い側面８１～８４上の領域Ｒｕに取り付けられている（図７（ａ），（ｂ）参照）。これにより、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５等は、領域Ｒｂ、Ｒｕの起歪体５０の歪みを検出する。
【0031】
具体的には、図１の例では、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５は、位置Ｍよりも予め定めた距離Ｐだけ、起歪体５０の底面６０に近い側面８１～８４上の領域Ｒｂに取り付けられている。また、図５に示した例では、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５は、位置Ｍよりも予め定めた距離Ｐだけ起歪体５０の上面７０に近い側面８１～８４上の領域Ｒｕと、底面６０に近い側面８１～８４上の領域Ｒｂの両方に設けられている。なお、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５は、起歪体５０の上面７０に近い側面８１～８４上の領域Ｒｕのみに取り付けられてもよい。
【0032】
このように、位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２よりも所定の距離Ｐだけ底面６０寄りの側面８１～８４上の領域Ｒｂおよび／または上面７０寄りの側面８１～８４上の領域Ｒｕに、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を取り付けることにより、図６（ａ），（ｂ）に歪み量のシミュレーション結果を示したように、起歪体５０の位置Ｍに最も近い側面８１～８４上の領域に取り付けた場合よりも、大きな歪みを検出することができる。
【0033】
歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を配置する領域Ｒｂ、Ｒｕは、図７（ａ），（ｂ）に示したように、最接近する位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２からの距離Ｐが、起歪体５０の直方体８０の側面８１～８４の横幅Ｗの０．１倍以上０．２５倍以下であることが好ましい。ただし、第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口径が、側面８１～８４の横幅Ｗの０．６倍以上０．８倍以下の場合である。
【0034】
また、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を配置する領域Ｒｂ、Ｒｕの、位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２からの距離Ｐの特に好ましい範囲は、側面８１～８４の横幅Ｗと、第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの径との比によって異なる。
【0035】
第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの径が、側面８１～８４の横幅Ｗの０．６倍以上０．６６倍未満である場合、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を配置する領域Ｒｂ、Ｒｕは、位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２からの距離Ｐが、側面８１～８４の横幅Ｗの０．１５倍以上０．２５倍以下であることが好ましい。
【0036】
第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの径が、側面８１～８４の横幅Ｗの０．６６倍以上０．７２倍未満である場合、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を配置する領域Ｒｂ、Ｒｕは、位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２からの距離Ｐが、側面８１～８４の横幅Ｗの０．１倍以上０．２倍以下であることが好ましい。
【0037】
第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの径が、側面８１～８４の横幅Ｗの０．７２倍以上０．８倍以下である場合、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を配置する領域Ｒｂ、Ｒｕは、位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２からの距離が、側面８１～８４の横幅Ｗの０．１倍以上０．２５倍以下であることが好ましい。特に、横幅Ｗの０．１倍以上０．１５倍以下であることが好ましい。
【0038】
なお、これらの距離の範囲Ｐが好ましい理由については、後述する実施例において明らかにする。
【0039】
また、側面８１～８４のみならず、位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２の高さの、第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の内壁面にも、歪み検出部ｒ２，ｒ３，ｒ５，ｒ７、ｒ９、ｒ１２、ｒ１４，ｒ１６が取り付けられている。これら歪み検出部ｒ２等は、第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の内壁面の歪を検出する。
【0040】
歪み検出部ｒ１～ｒ１６としては、起歪体５０の歪を電気信号に変換して出力するものを用いる。ここでは、歪み検出部ｒ１～ｒ１６として、絶縁シート上に、抵抗体パターンを搭載した歪みゲージを用いる。歪みゲージは、接着剤により起歪体５０の表面に接着され、起歪体５０に生じた歪みにより、抵抗体パターンが変形し、抵抗体パターンの抵抗値が変化する。
【0041】
なお、歪み検出部ｒ１～ｒ１６は、歪みゲージに限定されるものではなく、歪みが検出可能なセンサであれば他の構成のものを用いることも可能である。
【0042】
歪み検出部ｒ１～ｒ１６の出力する電気信号を、信号処理部により処理することにより、起歪体５０の第１貫通孔６１の中心軸方向（ｘ軸方向）および第２貫通孔６２の中心軸方向（ｙ軸方向）、および、起歪体５０の上面７０の法線方向（ｚ軸方向）の力、ならびに、ｘ、ｙ、ｚ軸の周りのモーメントを検出し、出力する。
【0043】
例えば、図３の構成のホイートストンブリッジ回路により、向かい合わせに配置された歪み検出部ｒ１～ｒ１６の出力の差分に対応した電圧ｅｎ（ｎ＝１～１６）を求める。
【0044】
求めた出力ｅｎと、下記式（１）により、起歪体５０の歪み検出部ｒ１～ｒ１６が配置された領域の歪み量εｎを求めることができる。Kは、歪みゲージの感度を示すゲージ率である。
求めた歪み量εｎ（ｎ＝１～１６）から、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力、および、ｘ、ｙ、ｚ軸の周りのモーメントを算出することができる。歪み量から力とモーメント（トルク）を用いる計算方法としては、公知の方法を用いる。計算方法の一例は、下記URLの文献に記載されている。
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jacc/49/0/49_0_599/_pdf/-char/ja
【数1】
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jacc/49/0/49_0_599/_pdf/-char/ja
【0045】
なお、本実施形態では、側面の歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５と、内壁の歪み検出部ｒ２，ｒ３，ｒ５，ｒ７、ｒ９、ｒ１２、ｒ１４，ｒ１６の両方の出力を用いて６軸力覚センサの出力を図３の回路により得ているが、側面のみの歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５の出力のみを用いて、公知の信号処理回路や演算処理部により側面の歪みセンサの出力を処理することにより、６軸力覚センサや３軸力覚センサの出力を得ることも可能である。
【0046】
また、図５のように、位置Ｍよりも上面７０寄りの領域Ｒｕにも歪み検出部ｒ１０１、ｒ１０４、ｒ１０６、ｒ１０８、ｒ１１０、ｒ１１１、ｒ１１３、ｒ１１５を配置する場合には、図３の回路をもう一組用意することにより、位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２よりも上面７０寄りの領域Ｒｕの歪み量εを同時に算出することができる。
【0047】
上述してきた本実施形態の力覚センサは、直方体８０の部材に側面から２か所穴を開けるだけの単純な構造の起歪体５０と、起歪体５０の所定の領域に歪み検出部ｒ１～１６の貼付する簡素な構成でありながら、感度よく歪みを検出することができる。
【実施例0048】
上記実施形態で述べたように、上記起歪体５０において、歪は、起歪体５０の柱状体５１～５４が最も細い位置Ｍ、または、所定の範囲Ｍ１～Ｍ２の側面ではなく、所定の距離Ｐだけ上面７０寄り、または、底面６０寄りの領域Ｒｕ、Ｒｂに発生しやすい。歪み量の大きい箇所に歪み検出部ｒ１等の歪みゲージを貼付することによって力覚センサの感度を高めることができる。本実施例では、種々のサイズの起歪体５０における歪み量を計算により求め、歪みの検出感度を高めることのできる歪み検出部ｒ１等の配置を特定する。
ここで、本実施例において用いる変数αｉを定義する。
式（２）において、ｅｉｐは、起歪体５０の図１および図２に示した位置に、歪み検出部（以下、歪み検出部を歪みゲージとも呼ぶ）ｒ１～ｒ１６を貼付した実施例の力覚センサにおいて、図３のハーフブリッジ回路のi番目の出力電圧ｅｉである。
ここで、本実施例において用いる変数αｉを定義する。
【数2】
【0049】
ｅｉｏは、比較例として、起歪体５０の柱状体５１～５４の側面８１～８４の最も細い位置Ｍに歪み検出部（歪みゲージ）ｒ１～ｒ１６を貼付した力覚センサの、図３のハーフブリッジ回路のi番目の出力電圧ｅｉである。すなわち、αｉは、実施例の力覚センサと比較例の力覚センサの出力電圧ｅｉの比である。
【0050】
実施例の起歪体５０および比較例の歪みの分布を、ＦＥＭ（有限要素法）により算出し、歪み検出部ｒ１～ｒ１６の位置の歪み量ε１～ε１６を求めた。求めた歪み量ε１～ε１６と、上述の式(1),(2)を用い、α１～α８を算出した。αの値から歪み量が大きい領域を求め、歪み検出部ｒ１～ｒ１６の最適な貼付範囲を以下のように求めた。
【0051】
まず、有限要素法を用いて、実施例の起歪体５０の設計を行った。
【0052】
実施例の起歪体５０は、図１の様に一辺の長さが５０ｍｍのアルミ製の立方体に、内壁が円筒状の第１貫通孔６１および第２貫通孔６２を形成した形状とした。このとき、図８のように、第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの径（直径）は、３０ｍｍ～４０ｍｍで種々に異ならせ、開口比率＝（開口径）／（立方体の側面の横幅）が、０．６，０．６２，０．６４，０．６６，０．６８，０．７，０．７２、０．７４、０．７６、０．７８、０．８の１１種類の起歪体５０のモデルを設計した。
【0053】
１１種類の起歪体５０のモデルの側面において、第１および第２貫通孔６１，６２の開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂが側面８１～８４の両脇の辺９１～９４に最接近する位置Ｍと、底面６０との間であって、底面６０からの高さが５，１０，１２．５，１５，１７．５，２０，２５ｍｍの位置（すなわち、起歪体５０の立方体の側面８１～８４の一辺との比が０．１，０．２，０．２５，０．３，０．３５，０．４，０．５の位置）に、歪み計測点を設定し、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５をそれぞれ配置した（図９（ａ）参照）。実施例の起歪体５０の上面７０に対して、ｘ軸方向に力Ｆｘを２０００Ｎ印加し、その時の各計測点の歪み量をシミュレーションにより求め、ｅ１～ｅ８を求めた。
【0054】
起歪体５０の柱状体５１～５４の最も細い位置Ｍに歪み検出部（歪みゲージ）ｒ１～ｒ１６を貼付した比較例の起歪体についても、ｘ軸方向に力Ｆｘを２０００Ｎ印加し、ｅ１～ｅ８を求めた。
【0055】
このように、力Ｆｘを印加して求めた実施例の起歪体５０のｅ１～ｅ８と、比較例の起歪体のｅ１～ｅ８の比α１～α８を式（２）により算出した。
【0056】
同様に、実施例の起歪体５０の上面７０にｚ軸周りのモーメントＭｚを８０Ｎｍ印加した場合の、計測点の歪み量をシミュレーションにより求め、ｅ１～ｅ８を求めた。比較例の起歪体についても、ｚ軸周りのモーメントＭｚを８０Ｎｍ印加し、ｅ１～ｅ８を求めた。
【0057】
モーメントＭｚを印加して求めた実施例の起歪体５０のｅ１～ｅ８と、比較例の起歪体のｅ１～ｅ８の比α１～α８を式（２）により算出した。
【0058】
さらに、実施例の起歪体５０のｙ軸方向に力Ｆｙを２０００Ｎ印加した場合の比α１～α８も算出した。
【0059】
その結果、実施例の起歪体５０にｘ軸方向に力Ｆｘを印加した場合には、ｅ２、ｅ４、ｅ６、ｅ８の出力が比較例より増加していることが確認された。また、実施例の起歪体５０にｙ軸方向に力Ｆｙを印加した場合には、ｅ１、ｅ３，ｅ５、ｅ７の出力が比較例より増加していた。ｚ軸周りのモーメントＭｚを加えた場合には、実施例の起歪体５０のｅ１～ｅ８の全ての出力が、比較例よりも増加していた。
【0060】
起歪体５０が点対称な構造であることから、一つの起歪体のモデルから他の起歪体のモデルのαに関しても同様の調査結果になると仮定することができる。そこで、実施例と比較例のｅ８の比であるα８が最も大きくなる計測点（歪み検出部ｒ１５の貼付位置）の範囲を以下のように探索した。
【0061】
実施例の起歪体５０と比較例の起歪体に、ｘ軸方向に力Ｆｘを２０００Ｎ印加した場合のα８を図１１に示す。同様に、実施例の起歪体５０と比較例の起歪体にｚ軸周りのモーメントＭｚを８０Ｎｍ印加した場合のｅ８の比α８を図１１に示す。
【0062】
図１０，図１１から明らかなように、底辺からの高さが２５ｍｍ、つまり、開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂが側面８１～８４の両脇の辺９１～９４に最接近する位置Ｍに歪みゲージ（歪み検出部ｒ１５、ｒ１６）を配置して測定した場合、比較例と同じ構成であるので、当然ながらα８は１である。最接近する位置Ｍから所定の距離Ｐだけ底面６０寄りの所定の領域Ｒｂに歪みゲージ（歪み検出部ｒ１５、ｒ１６）を配置することにより、α８が大きくなることが図１０および図１１によりわかる。また、所定の領域Ｒｂよりもさらに底面６０の近くに歪みゲージ（歪み検出部ｒ１５、ｒ１６）を配置すると、再びα８は小さくなり、比較例の値に近づくことが分かる。
【0063】
【0064】
これらのことは、歪みゲージ（歪み検出部ｒ１５、ｒ１６）を配置する具体的な範囲は、ｚ軸周りのモーメントＭｚに対する感度が高い箇所であることが望ましいことがわかる。
【0065】
【0066】
図１２のように開口比率＝（開口径）／（立方体の側面の横幅）が０．６～０．６６（実施例では辺５０ｍｍの立方体の側面８１～８４の横幅Ｗに対して開口６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの径の大きさ３０～３３ｍｍの場合）の場合、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を配置する領域Ｒｂ、Ｒｕは、最接近する位置Ｍからの距離Ｐが、側面８１～８３の横幅Ｗの０．１５倍以上０．２５倍以下の範囲であることが望ましい。この範囲では、α８は、比較例よりも２．５倍以上が大きい。また、開口比率が０．６８以上では、α８は、２．５倍未満になる。
【0067】
すなわち、最接近する位置Ｍからの距離Ｐが、側面８１～８４の横幅Ｗの０．１５倍以上０．２５倍以下の範囲に、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を配置することにより、比較例よりも、ｅ８の比であるα８を２．５倍以上に向上させることが可能となることがわかった。
【0068】
また、図１３のように、開口比率０．６６～０．７２（実施例では辺５０ｍｍの立方体の側面の横幅に対して開口径の大きさ３３～３６ｍｍ）の場合、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を配置する領域Ｒｂ、Ｒｕは、最接近する位置Ｍからの距離が、側面８１～８４の横幅Ｗの０．１倍以上０．２倍以下の範囲であることが望ましいことがわかった。この範囲では、比較例よりも２倍以上にα８を向上させることができる。
【0069】
また、図１４のように、開口比率０．７２～０．８の場合（実施例では辺５０ｍｍの立方体の側面の横幅に対して開口径の大きさ３６～４０ｍｍ）の場合、歪み検出部ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を配置する領域は、最接近する位置Ｍからの距離Ｐが、側面８１～８４の横幅Ｗの０．１倍以上０．２５倍以下であることが好ましいことがわかった。この範囲では、比較例よりも２倍以上にα８を向上させることができる。
【0070】
特に、最接近する位置Ｍからの距離Ｐが、側面８１～８４の横幅Ｗの０．１倍以上０．１５倍以下である場合、比較例の３倍以上にα８を向上させることができる。
【0071】
＜起歪体５０のサイズを変化させた場合＞
つぎに、歪みゲージｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５の適切な貼付範囲は、起歪体５０のサイズに依存せず、位置Ｍから側面８１～８４の横幅Ｗに対する比率に依存して決まる距離Ｐによって定まることを示すために、起歪体５０のサイズを変えて同様のシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、一辺が７５，１５０，５００ｍｍの立方体に、開口比率０．８となる穴を開けた起歪体５０のモデルを用いた。
つぎに、歪みゲージｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５の適切な貼付範囲は、起歪体５０のサイズに依存せず、位置Ｍから側面８１～８４の横幅Ｗに対する比率に依存して決まる距離Ｐによって定まることを示すために、起歪体５０のサイズを変えて同様のシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、一辺が７５，１５０，５００ｍｍの立方体に、開口比率０．８となる穴を開けた起歪体５０のモデルを用いた。
【0072】
起歪体５０の上面７０に対してｘ軸方向に力Ｆｘを２０００Ｎ印加した場合の、起歪体５０の側面８１～８４に貼付した歪みゲージｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５の歪み量を算出した。歪みゲージｒ１等は、底面６０からの高さが、側面８１～８４の横幅Ｗの値の０．１，０．２，０．２５，０．３，０．３５，０．４，０．５倍である位置にそれぞれ配置した。
【0073】
また、起歪体５０の第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の内壁面に配置した歪みゲージｒ２、ｒ３、ｒ５、ｒ７、ｒ９、ｒ１２、ｒ１４、ｒ１６の歪み量についても算出した。歪みゲージの位置は、図９（ｂ）のように９か所にずらした。
【0074】
これらの歪み量を用いて、ｘ軸方向に力Ｆｘを印加した場合のα８を算出した。
【0075】
同様に、起歪体５０の上面７０に対してｚ軸周りにモーメントＭｚ８０Ｎｍを印加した場合についても、同様にα８を算出した。
【0076】
算出した力Ｆｘを印加した場合のα８と、モーメントＭｚを印加した場合のα８を図１５のグラフに表した。
【0077】
図１５から、α８の増減は、起歪体５０のサイズに依存しないことがわかった。このことは、起歪体５０のサイズが変化しても、起歪体５０の表面の歪み分布は、拡大、あるいは縮小するだけであることを示している。
【0078】
以上より、本実施例の力覚センサは、起歪体５０が、任意のサイズであっても、開口が側面の両脇の辺に最接近する位置（最細部）Ｍからの距離を、側面の横幅の比率により定めた所定の領域に、歪みゲージ（歪み検出部）ｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５を貼ることにより、精度よく歪みを検出できることを確認できた。
【0079】
＜線形性の評価＞
つぎに、実施例の力覚センサについて、他軸干渉誤差をＦＥＭを用いて算出した。
つぎに、実施例の力覚センサについて、他軸干渉誤差をＦＥＭを用いて算出した。
【0080】
具体的には、起歪体５０の所定の軸（他軸）に力Ｆが加わった状態で、主成分の軸にモーメントＭを印加した場合における歪み量の応答をシミュレーションにより算出した。
【0081】
ここでは、起歪体５０のｘ軸方向に力Ｆｘを１０００Ｎ印加した状態で、ｘ軸周りのモーメントＭｘ，ｙ軸周りのモーメントＭｙ，ｚ軸周りのモーメントＭｚを０～±３０Ｎｍ印加し、その時のひずみ量を算出した。
【0082】
なお、起歪体５０のサイズは、高さ３４ｍｍ、幅および奥行３０ｍｍ、第１および第２貫通孔６１，６２の開口径（直径）２４ｍｍであり、材質はアルミ（７０７５－Ｔ６）である。
【0083】
歪みゲージｒ２、ｒ３、ｒ５、ｒ７、ｒ９、ｒ１２、ｒ１４、ｒ１６を、起歪体５０の第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口が側面の両脇の辺に最接近する位置（最細部）Ｍの内壁面に配置し、その歪み量を算出した。印加したモーメントと、算出された歪み量を図１６（ａ）に示す。
【0084】
また、歪みゲージｒ２、ｒ３、ｒ５、ｒ７、ｒ９、ｒ１２、ｒ１４、ｒ１６を、起歪体５０の第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の開口が側面の両脇の辺に最接近する位置（最細部）Ｍから所定の距離ずれた位置の内壁面に配置し、その歪み量を算出した。所定の距離は、７．５ｍｍである。印加したモーメントと、算出された歪み量を図１６（ｂ）に示す。
【0085】
なお、図１６（ａ）、（ｂ）において、凡例内「Ｆｘ－Ｍｘｍ」は「力Ｆｘを１０００Ｎ印加した状態で、モーメントＭｘを０～－３０Ｎｍまで変化させて印加する」という意味である。ｍのついた歪み量は、第１貫通孔６１および第２貫通孔６２の内壁面に貼られた歪みゲージｒ２、ｒ３、ｒ５、ｒ７、ｒ９、ｒ１２、ｒ１４、ｒ１６の歪み量を示し、ｍのない歪み量は、側面８１～８４上に貼られた歪みゲージｒ１、ｒ４、ｒ６、ｒ８、ｒ１０、ｒ１１、ｒ１３、ｒ１５の歪み量を示す。
【0086】
図１６（ａ），（ｂ）から明らかなように、所定の軸方向に力Ｆを掛けながら、同一の軸または異なる軸の周りにモーメントＭを印加した場合、モーメントＭの大きさに比例した歪み量が、起歪体５０の内壁に生じることが確認できた。すなわち、主成分のモーメントと他軸の力は干渉せず、歪みの非線形性は確認されなかった。これは、起歪体５０の内壁に貼付する歪みゲージｒ２、ｒ３、ｒ５、ｒ７、ｒ９、ｒ１２、ｒ１４、ｒ１６が、最も細い位置Ｍに配置されている場合も、最も細い位置Ｍからずれた位置に配置されている場合も、同様であった。
【0087】
＜力覚センサの非線形誤差と他軸干渉誤差の実測試験＞
本実施例の力覚センサを製造し、非線形誤差と他軸干渉誤差を実測した。図１７に、実際に製造した本実施例の力覚センサを示す。起歪体５０の高さ、横幅および奥行、材質は、表1に示した通りである。第１貫通孔６１，第２貫通孔６２の開口径は、２４ｍｍである。歪み検出部ｒ１～ｒ１６は、歪みゲージ（共和電業 KFGS-03-120-C1-23）を用いた。信号処理部は、図３の回路ではなく、測定器(共和電業 PCD-400A)を用いた。
本実施例の力覚センサを製造し、非線形誤差と他軸干渉誤差を実測した。図１７に、実際に製造した本実施例の力覚センサを示す。起歪体５０の高さ、横幅および奥行、材質は、表1に示した通りである。第１貫通孔６１，第２貫通孔６２の開口径は、２４ｍｍである。歪み検出部ｒ１～ｒ１６は、歪みゲージ（共和電業 KFGS-03-120-C1-23）を用いた。信号処理部は、図３の回路ではなく、測定器(共和電業 PCD-400A)を用いた。
【0088】
なお、図１７に示した力覚センサには、上面７０に力Ｆやモーメントを加える際の治具となる板状部材が搭載されている。
また、表２に、起歪体５０に加えた定格荷重と安全率を示す。安全率はFEMで算出した歪みの結果から得た。
表２のように、本実施例で製造した力覚センサは、小型ながらロボット用力覚センサとしては十分な測定レンジをもち、かつ安全率も非常に高いことがわかる。
【表1】
【表2】
【0089】
図１７の力覚センサに、力ＦおよびモーメントＭを以下の方向および大きさについて印加し、歪み検出部ｒ１～ｒ１６の出力電圧を得て、6軸方向の検出結果を求めた。検出結果を図１８に示す。
・F_(x,y) :0, ±12.5, ±25, ±50, ±100, ±200, ±300(N)
・F_z :0, ±12.5, ±25, ±50, ±100, ±200, ±400(N)
・M_(x,y):0, ±0.5, ±1.25, ±2.5, ±3.75, ±6.25,±11.25(Nm)
・M_z :0, ±0.24, ±0.6, ±0.96 ±2.16, ±5.16(Nm)
図１８のように、力ＦおよびモーメントＭを加えた軸方向において、加えた力Ｆまたはモーメントに比例した出力が得られ、他の軸方向の出力がわずかであった。このことから、非線形誤差はほとんどなく、他軸干渉誤差もわずかであることがわかる。
・F_(x,y) :0, ±12.5, ±25, ±50, ±100, ±200, ±300(N)
・F_z :0, ±12.5, ±25, ±50, ±100, ±200, ±400(N)
・M_(x,y):0, ±0.5, ±1.25, ±2.5, ±3.75, ±6.25,±11.25(Nm)
・M_z :0, ±0.24, ±0.6, ±0.96 ±2.16, ±5.16(Nm)
図１８のように、力ＦおよびモーメントＭを加えた軸方向において、加えた力Ｆまたはモーメントに比例した出力が得られ、他の軸方向の出力がわずかであった。このことから、非線形誤差はほとんどなく、他軸干渉誤差もわずかであることがわかる。
【0090】
力覚センサの出力から非線形誤差と他軸干渉誤差を算出した。算出結果を表３に示す。
【0091】
なお、非線形誤差(NE)・他軸干渉誤差(DE)は式(3),(4)より計算した。
表２のように、本実施例で製造した力覚センサの非線形誤差は、最大1.8(%R.O.)、他軸干渉誤差は、最大2.2(%R.O.)であった。ここでR.O.はRange of Orderであり、%R.O. 定格に対する比を表す単位である。この結果は一般的な商用センサと同等の性能であることを示している。
【数3】
【数4】
【表3】
【0092】
また、本実施例で製造した力覚センサは、安全率７を上回っていることことから、安全率２を商用の水準と考えると、定格荷重を表２よりも３倍程度大きく設定することが原理上可能である。これにより、非線形誤差、他軸干渉誤差は商用のものよりも小さくなる可能性が高い。
【符号の説明】
【0093】
５０ 起歪体
５１～５４ 柱状体
６１ 第１貫通孔
６２ 第２貫通孔
１００ 力覚センサ
Ｆｘ 力
Ｆｙ 力
Ｆｚ 力
Ｍ 最接近する位置（最細部）
Ｍｘ モーメント
Ｍｙ モーメント
Ｍｚ モーメント
ｅｉ 出力電圧
ｅｎ 出力電圧
ｒ１～ｒ１６ 歪み検出部（歪みゲージ）
ｒ１０１～ｒ１１６ 歪み検出部（歪みゲージ）
５１～５４ 柱状体
６１ 第１貫通孔
６２ 第２貫通孔
１００ 力覚センサ
Ｆｘ 力
Ｆｙ 力
Ｆｚ 力
Ｍ 最接近する位置（最細部）
Ｍｘ モーメント
Ｍｙ モーメント
Ｍｚ モーメント
ｅｉ 出力電圧
ｅｎ 出力電圧
ｒ１～ｒ１６ 歪み検出部（歪みゲージ）
ｒ１０１～ｒ１１６ 歪み検出部（歪みゲージ）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
