特表 2023-534074 多自由度の力・トルクセンサー及びロボット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-07

(54)【発明の名称】多自由度の力・トルクセンサー及びロボット

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/16 20200101AFI20230731BHJP

【ＦＩ】

G01L5/16

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023504405

(86)(22)【出願日】2020-07-28

(85)【翻訳文提出日】2023-01-20

(86)【国際出願番号】 CN2020105012

(87)【国際公開番号】W WO2022021038

(87)【国際公開日】2022-02-03

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522453131

【氏名又は名称】シャンハイ・フレクシブ・ロボティクス・テクノロジー・カンパニー・リミテッド

(71)【出願人】

【識別番号】522453142

【氏名又は名称】フレクシブ・リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ハオ・ジアン

(72)【発明者】

【氏名】シュハン・リ

(72)【発明者】

【氏名】シクアン・ワン

(72)【発明者】

【氏名】ラン・アン

(72)【発明者】

【氏名】シュエセン・リ

【テーマコード（参考）】

2F051

【Ｆターム（参考）】

2F051AA10

2F051BA07

2F051DA03

2F051DB03

(57)【要約】

多自由度の力・トルクセンサー（１００）を提供する。この多自由度の力・トルクセンサーは、第１剛性プレート（１０）と、第２剛性プレート（２０）と、第１剛性プレートと第２剛性プレートとの間に接続される複数の弾性部材（３０）と、第１剛性プレートと第２剛性プレートとの間に設けられるシグナルペアとを含む。該シグナルペアは、第１剛性プレート及び第２剛性プレートの複数の方向における相対変位を検出するように配置される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

多自由度の力・トルクセンサーであって、
第１剛性プレートと、
第２剛性プレートと、
前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの間に接続される複数の弾性部材であって、それぞれが、
第１ピラー及び第２ピラーであって、前記第１ピラーの第１端が前記第１剛性プレートに接続され、前記第２ピラーの第１端が前記第２剛性プレートに接続され、前記第１ピラー及び前記第２ピラーは、それぞれ前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に延びる第１ピラー及び第２ピラーと、
前記第１ピラーと前記第２ピラーを接続するように配置する連結部であって、少なくとも一部が前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に垂直な方向に実質的に延びる連結部と、を備える複数の弾性部材と、
前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの間に配置され、前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの複数の方向における相対変位を検出するように配置される複数のシグナルペアと、を含む
ことを特徴とする多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項2】

前記連結部は、環状の形状を有し、前記連結部の外面は、一側が前記第１ピラーの第２端に接続され、反対側が前記第２ピラーの第２端に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項3】

前記連結部は、半環状の形状を有し、前記連結部は、一端が前記第１ピラーの第２端に接続され、他端が前記第２ピラーの第２端に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項4】

前記連結部は、第１部分及び第２部分を含み、前記第１部分は、前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に垂直な方向に実質的に延び、且つ前記第１ピラーの第２端に接続され、前記第２部分は、前記第１部分の異なる位置から前記第２ピラーの第２端まで延びる
ことを特徴とする請求項１に記載の多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項5】

前記連結部は、第１部分及び第２部分を含み、前記第１部分は第１サブ部分及び第２サブ部分を含み、前記第１サブ部分は、前記第１ピラーの第２端に接続され、前記第２サブ部分は前記第２ピラーの第２端に接続され、前記第１サブ部分及び前記第２サブ部分は、それぞれ前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に垂直な方向に延び、前記第２部分は前記第１サブ部分と第２サブ部分との間に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項6】

前記連結部は、前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に垂直なビームである
ことを特徴とする請求項１に記載の多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項7】

前記複数の弾性部材は、前記第１剛性プレート及び前記第２剛性プレートの縁部に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項8】

多自由度の力・トルクセンサーであって、
第１剛性プレートと、
第２剛性プレートと、
前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの間に接続される複数の弾性部材であって、それぞれが、
第１ピラー及び第２ピラーであって、前記第１ピラーの第１端が前記第１剛性プレートに接続され、前記第２ピラーの第１端が前記第２剛性プレートに接続され、前記第１ピラー及び前記第２ピラーは、それぞれ前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に延びる第１ピラー及び第２ピラーと、
前記第１ピラーと前記第２ピラーとの間に接続される連結部であって、前記連結部の第１長さが前記連結部の前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向における高さよりも大きいように成形され、前記第１長さが前記連結部の前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に垂直な平面での投影の長さである連結部と、を備える複数の弾性部材と、
前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの間に配置され、前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの複数の方向における相対変位を検出するように配置される複数のシグナルペアと、を含み、
前記複数の弾性部材は前記第１剛性プレート及び第２剛性プレートの縁部に配置される
ことを特徴とする多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項9】

複数の前記連結部のそれぞれは、前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に垂直なビーム形状である
ことを特徴とする請求項８に記載の多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項10】

前記連結部は、環状の形状を有し、前記連結部の外面は、一側が前記第１ピラーの第２端に接続され、反対側が前記第２ピラーの第２端に接続される
ことを特徴とする請求項８に記載の多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項11】

前記連結部の外面の前記一側には接触端が設けられ、前記連結部の外面の前記反対側には他方の接触端が設けられ、前記第１ピラーの前記第２端と前記第２ピラーの前記第２端とを前記接触端及び前記他方の接触端にそれぞれ接続する
ことを特徴とする請求項１０に記載の多自由度の力・トルクセンサー。

【請求項12】

順次に接続された複数のリンク及びエンドエフェクタを含むロボットであって、前記エンドエフェクタは、多自由度の力・トルクセンサーを含み、前記多自由度の力・トルクセンサーは、
第１剛性プレートと、
第２剛性プレートと、
前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの間に接続される複数の弾性部材であって、それぞれが、
第１ピラー及び第２ピラーであって、前記第１ピラーの第１端が前記第１剛性プレートに接続され、前記第２ピラーの第１端が前記第２剛性プレートに接続され、前記第１ピラー及び前記第２ピラーが前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に延びる第１ピラー及び第２ピラーと、
前記第１ピラーと前記第２ピラーを接続するように配置する連結部であって、少なくとも一部が前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に垂直な方向に実質的に延びる連結部と、を備える複数の弾性部材と、
前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの間に配置され、前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの複数の方向における相対変位を検出するように配置される複数のシグナルペアと、を含む
ことを特徴とするロボット。

【請求項13】

前記連結部は、環状の形状を有し、前記連結部の外面は、一側が前記第１ピラーの第２端に接続され、反対側が前記第２ピラーの第２端に接続される
ことを特徴とする請求項１２に記載のロボット。

【請求項14】

前記連結部は、前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に垂直なビーム形状である
ことを特徴とする請求項１２に記載のロボット。

【請求項15】

前記連結部は、その第１長さが、該連結部の前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向における高さよりも大きいように成形され、前記第１長さは、前記連結部の前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に垂直な平面での投影の長さである
ことを特徴とする請求項１２に記載のロボット。

【請求項16】

前記複数の弾性部材は、前記第１剛性プレート及び前記第２剛性プレートの縁部に配置される
ことを特徴とする請求項１２に記載のロボット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、力・トルクセンサーの分野に関し、より具体的には、多自由度の力・トルクセンサー及びロボットに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の力・トルクセンサーのほとんどは、接触による歪みゲージを使用し、全体的な力および／またはトルクによる局所構造のひずみを、後で増幅される電気信号に変換する。歪みゲージは通常、そのような局所構造に接合され、歪みゲージによる変形の敏感によって、対応する電気信号が取得され、最終的に、力・トルクセンサーに加えられる力とトルクが決められる。例えば、発明番号２０１２１０５８９７８４．７の中国発明は、機械構造に接合された歪み構成要素を有するそのような６次元力・トルクセンサーを開示している。ただし、各歪みゲージは固有の変形パターンにのみ敏感であり、他の変形に敏感ではない。これによって、これらの歪みゲージをロボット、自動化産業、および実験室で広く使用することができない。

【0003】

最近、例えば静電容量、インダクタンス、光学ソリューションなどの非接触センシング方法に焦点を当てた製品や研究がいくつかある。例えば、公開番号ＫＲ１０２０１１３０１２６０８２Ａの韓国発明、および特許番号ＵＳ１０２６０９７０Ｂ２の米国専利は、それぞれそのような種類の力・トルクセンサーを開示している。変形を電気信号に変換する変換部材（例えば歪みゲージ）を、最も激しい変形が生じやすい局所構造に配置することとは異なり、このようなソリューションでは、変位が最大となる位置に変換部材を配置して、感知した変位を電気信号に変換する。異なる適用シナリオでは、３つの直交する力と３つの直交するトルクの異なる合計範囲が必要になる可能性があるため、必要な機械構造は、これらの力とトルクのバランスをとることができる能力を持つように設計される。しかし、その設計がそのような能力を持っていることを証明できる従来技術はあまりない。実際には、異なる力とトルクによる構造の変形が深刻に結合されるため、他の力とトルクに影響を与えることなく、単独の力及びトルクに対応するセンサーの検出能力を単独に調整することが困難である。

【0004】

したがって、６自由度の力・トルクセンサーを改善する必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

下記は、本発明のさまざまの態様に対して、基本的な理解を提供するように、簡単に説明する。この発明内容は、すべての予期様態に対する広い概要ではなく、すべての様態の需要または主要要素を特定したり、任意またはすべての様態の範囲を規定したりすることを意図していない。その唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の開始として、１つまたは複数の様態のいくつかの概念を簡略化された形式で提示することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一様態によれば、多自由度の力・トルクセンサーを提供する。この多自由度の力・トルクセンサーは、第１剛性プレートと、第２剛性プレートと、前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの間に接続される複数の弾性部材と、前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの間に配置され、前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの複数の方向における相対変位を検出するように配置される複数のシグナルペアと、を含んでもよい。当該複数の弾性部材のそれぞれは、第１ピラー及び第２ピラーを含んでもよく、前記第１ピラーの第１端が前記第１剛性プレートに接続され、前記第２ピラーの第１端が前記第２剛性プレートに接続され、前記第１ピラー及び前記第２ピラーは、それぞれ前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に延びる。当該複数の弾性部材のそれぞれは、第１ピラーと第２ピラーを接続するための連結部を更に含んでもよい。この連結部が前記第１ピラーの第２端及び前記第２ピラーの第２端に接続され、少なくとも一部がこの多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に垂直な方向に実質的に延びる。

【0007】

本発明の別の一様態によれば、多自由度の力・トルクセンサーを提供する。この多自由度の力・トルクセンサーは、第１剛性プレートと、第２剛性プレートと、前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの間に接続される複数の弾性部材と、前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの間に配置され、前記第１剛性プレートと前記第２剛性プレートとの複数の方向における相対変位を検出するように配置される複数のシグナルペアと、を含み、前記複数の弾性部材は、前記第１剛性プレート及び前記第２剛性プレートの縁部に配置される。当該複数の弾性部材のそれぞれは、第１ピラー及び第２ピラーを含んでもよく、前記第１ピラーの第１端が前記第１剛性プレートに接続され、前記第２ピラーの第１端が前記第２剛性プレートに接続され、前記第１ピラー及び前記第２ピラーは、それぞれ前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に延びる。当該複数の弾性部材のそれぞれは、第１ピラーと第２ピラーを接続するための連結部を更に含んでもよい。この連結部は、第１長さが、前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向における高さよりも大きいように成形される。この第１長さは、この連結部の前記多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に垂直な平面での投影の長さである。

【0008】

本発明の他の一様態によれば、ロボットを提供する。前記ロボットは順次に接続された複数のリンク及びエンドエフェクタを含み、前記エンドエフェクタは、上記した多自由度の力・トルクセンサーのいずれかを含む。

【図面の簡単な説明】

【0009】

下記は、添付の図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明するが、これを参照して本発明をよりよく理解することができる。

【0010】

【図1】図１は本発明の一実施例に係る多自由度の力・トルクセンサーの模式図である。

【図2】図２は図１に示す多自由度の力・トルクセンサーに適用できる例示的な弾性部材の断面模式図である。

【図3】図３は半環状の連結部の断面図を概略的に示す図である。

【図4】図４は本発明の一例示に係る連結部の断面模式図を概略的に示す図である。

【図5】図５は本発明の他一例示に係る連結部の断面模式図を概略的に示す図である。

【図6】図６は本発明の別一例示に係るビーム形状の連結部の断面模式図を概略的に示す図である。

【図7】図７は本発明の実施例に係る多自由度の力・トルクセンサーに用いる他の弾性部材の模式図である。

【図8】図８は図７に示す連結部８０３の断面図を概略的に示す図である。

【図9】図９は本発明の一実施例に係る多自由度の力・トルクセンサー２００の斜視図である。

【図10】図１０は本発明の実施例に係る多自由度の力・トルクセンサーを含む例示的なロボット９００を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

下記は、添付の図面の詳細な説明を合わせてさまざまな異なる構成を説明するが、本明細書で説明する概念を実施できる唯一の構成を表すことを意図していない。詳細な説明には、さまざまな概念を徹底に理解できるようにするための特定の詳細が含まれる。しかしながら、当業者にとって、これらの概念を、これらの特定の詳細なしに実施できることが明らかである。

【0012】

図１は本発明の一実施例に係る多自由度の力・トルクセンサー１００の模式図である。図に示すように、多自由度の力・トルクセンサー１００は、第１剛性プレート１０、第２剛性プレート２０、複数の弾性部材３０、及び複数のシグナルペア（図示なし）を含む。複数の弾性部材３０は、第１剛性プレート１０と第２剛性プレート２０との間に設けられる。具体的には、複数の弾性部材３０のそれぞれは、例えばその一端を介して第１剛性プレート１０に接続され、その他一端を介して第２剛性プレート２０に接続される。複数のシグナルペアは、第１剛性プレート１０と第２剛性プレート２０に配置されて、この２つのプレートの相対変位を検出する。

【0013】

一例示で、外力が多自由度の力・トルクセンサー１００に作用する場合に、第１剛性プレート１０及び第２剛性プレート２０は、高い剛性のため形状がほぼ変化しないように保持する。また、弾性部材３０は、水平及び／又は垂直方向においてたわみ、変形が発生する可能性があり、これによって第１剛性プレート１０と第２剛性プレート２０とが相対移動する。弾性部材３０の材料としては、一般的に金属材料、例えばステンレス鋼であるが、いくつかの実施例では、プラスチック又はゴム等の他の材料を用いてもよい。配置されたシグナルペアは、第１剛性プレート１０と第２剛性プレート２０との相対移動を検出することができる。

【0014】

図２は図１に示す多自由度の力・トルクセンサー１００に適用できる例示的な弾性部材の断面模式図である。図２に示すように、弾性部材３０は、第１ピラー３０１、第２ピラー３０２及び連結部３０３を含む。第１ピラー３０１はその第１端３０１ａを介して第１剛性プレート１０に接続され、第２ピラー３０２はその第１端３０２ａを介して第２剛性プレート２０に接続される。第１ピラー３０１はその第２端３０１ｂを介して連結部３０３に接続され、第２ピラー３０２はその第２端３０２ｂを介して連結部３０３に接続される。図に示すように、第１ピラー３０１及び第２ピラー３０２は、多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に実質的に延びるように配置される。説明を簡単にするために、図２は、センサー１００に関連付けられるＸ、Ｚ軸を含む座標系を示し、Ｚ軸が多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に平行する。Ｙ軸（図示なし）は、Ｘ軸とＺ軸によって形成される平面に対して垂直である。以下、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をＸ、Ｙ、Ｚ方向ともいい、Ｚ軸に垂直な面をＸＹ面ともいう。

【0015】

「多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に実質的に延びる」という表現は、第１ピラー３０１および第２ピラー３０２が多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に厳密に延びる必要がないことを意味することが理解されるべきである。また、本明細書において、「ピラー」という用語とは、プレートと連結部との間に配置される部材をいう。柱状は実現できる形状の一つであるが、これに限定されない。例えば、ピラー３０１および３０２は多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に延びるらせん形状であってもよい。この例示によれば、連結部３０３の少なくとも一部は、多自由度力・トルクセンサー１００の軸方向に実質的に垂直な方向に延びる。

【0016】

いくつかの実施例において、連結部は環状形状を有する。図２に示す連結部は環状形状である。図２に示すように、連結部３０３の外面は、一側が第１ピラー３０１の第２端３０１ｂに接続され、他側が第２ピラー３０２の第２端３０２ｂに接続される。図３は半環状の連結部４０３の断面図を概略的に示す図である。図に示すように、半環状の連結部４０３は、一端が第１ピラー３０１の第２端３０１ｂに接続され、他端が第２ピラー３０２の第２端３０２ｂに接続される。

【0017】

いくつかの例示において、連結部は、第１部分及び第２部分を含んでもよく、第１部分が多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に垂直な方向に延びる。図４は、この例示に係る連結部５０３の断面模式図を概略的に示す図である。図４に示すように、第１部分５０１は、多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に実質的に垂直な方向に延び、即ち図中の座標系のＸＹ平面において延び、第２部分５０２ａ及び５０２ｂはそれぞれ第１部分５０１から第２ピラー３０２の第２端３０２ｂまで延びる。例えば、第２部分５０２ａ及び５０２ｂはそれぞれ第１部分５０１の両端から第２ピラー３０２の第２端３０２ｂまで延びる。第１ピラー３０１は、この第１部分５０１の中間に接続される。図５は、この例示に係る別の連結部６０３の断面模式図を概略的に示す図である。図５に示すように、第１部分は、第１サブ部分６０１ａ及び第２サブ部分６０１ｂを含み、第１サブ部分６０１ａは第１ピラー３０１の第２端３０１ｂに接続され、第２サブ部分６０１ｂは第２ピラー３０２の第２端３０２ｂに接続される。第１サブ部分及び第２サブ部分６０１ａ、６０１ｂのそれぞれは、多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に実質的に垂直な方向に延び、即ち図中の座標系のＸＹ平面において延びる。第２部分６０２は、第１サブ部分６０１ａと第２サブ部分６０１ｂとの間に接続される。図５に示す例示で、第２部分６０２は、第１サブ部分６０１ａの端部及び第２サブ部分６０１ｂの端部に接続され、２つの端部は２つのサブ部分の異なる延在方向にある。実際の使用において、第２部分６０２は、他の位置で第１サブ部分及び第２サブ部分に接続されてもよく、第２部分６０２は所要の任意の適当形状として構成されることができる。

【0018】

図６は、連結部の例示を置き換え可能な断面模式図を概略的に示し、連結部がビーム形状である。図６に示すように、連結部７０３は、多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に実質的に垂直なビーム、即ち、図中の座標系のＸＹ平面に位置するビームである。連結部７０３は、一側が第１ピラー３０１に接続され、反対側が第２ピラー３０２に接続される。

【0019】

図３、４、５、および６に示す連結部は、この連結部の異なる変形を概略的に説明するために使用されるにすぎず、この連結部の正確形状および縮尺とはみなされない。

【0020】

本発明のいくつかの例示によれば、複数の弾性部材は、第１剛性プレート１０及び第２剛性プレート２０の縁部に配置される。一方、本発明の別のいくつかの実施例で、複数の弾性部材は、第１剛性プレート１０及び第２剛性プレート２０の中心に近い位置に配置されてもよい。弾性部材が剛性プレート１０及び２０の中心に近く配置される場合には、多自由度の力・トルクセンサー１００によるトルクへの感知能力が小さく、弾性部材が剛性プレート１０及び２０の縁部に配置される場合には、多自由度の力・トルクセンサー１００によるトルクへの感知能力が大きい。弾性部材の多自由度の力・トルクセンサー１００における径方向位置を調整することにより、多自由度の力・トルクセンサー１００による力・トルクへの感知能力を適当な比例に調整することができる。

【0021】

図１を参照して、複数の弾性部材３０は、多自由度の力・トルクセンサー１００の第１剛性プレート１０及び第２剛性プレート２０の縁部に配置される。複数の弾性部材３０のそれぞれは、多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に実質的に延びる第１ピラー３０１及び第２ピラー３０２と、多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に垂直な方向に実質的に延びる連結部３０３とを含む。

【0022】

多自由度の力・トルクセンサー１００に力が付与されると、弾性部材３０は、Ｚ方向、Ｘ方向又はｙ方向に変形する（図２～図６を参照）。Ｘ方向及びＹ方向における変形によって、多自由度の力・トルクセンサー１００に設けられたシグナルペアは、Ｘ方向及びＹ方向の力、Ｚ軸周りのトルクを感知することができる。Ｚ方向における変形によって、多自由度の力・トルクセンサー１００のシグナルペアは、Ｘ軸及びＹ軸周りのトルク、及びＺ方向に沿う力を感知することができる。多自由度の力・トルクセンサー１００に対して異なる力・トルクの感知範囲の要求がある場合に、２つのピラー及び連結部３０３のＺ軸における高さ、ＸＹ平面における長さ等を調整することにより、この要求を満たすことができる。

【0023】

本発明の別のいくつかの実施例によれば、連結部は、連結部の第１長さＬがこの連結部の多自由度の力・トルクセンサーの軸方向における高さＨよりも大きいように成形され、第１長さＬが、連結部の多自由度の力・トルクセンサーの軸方向に垂直な平面での投影の長さである。図１及び図７を参照して、この多自由度の力・トルクセンサーは、第１剛性プレート１０、第２剛性プレート２０及び複数の弾性部材３０を含み、弾性部材３０は、第１剛性プレート１０と第２剛性プレート２０との間に接続される。複数の弾性部材３０のそれぞれは、第１ピラー３０１と第２ピラー３０２を含む。第１ピラー３０１は、第１端３０１ａが第１剛性プレート１０に接続される。第２ピラー３０２は、第１端３０２ａが第２剛性プレート２０に接続される。第１ピラー３０１及び第２ピラー３０２のそれぞれは、多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向、即ち、図中の座標系のＸＹ平面に実質的に延びる。連結部８０３は、第１ピラー３０１の第２端３０１ｂと第２ピラー３０２の第２端３０２ｂとに接続される。本実施例によれば、連結部８０３の形状によって、連結部８０３の第１長さＬが、多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向における高さＨよりも大きく、第１長さＬが、連結部８０３の多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に垂直な平面（即ち、図７中の座標系のＸＹ平面）での投影の長さである。第１剛性プレート１０と第２剛性プレート２０との間に設けられた複数のシグナルペア（図示なし）は、第１剛性プレート１０及び第２剛性プレート２０の複数の方向における相対変位を検出するように配置される。本発明によれば、上記を図２～６に合わせて説明される連結部の形状は、図１及び図７を合わせて説明される多自由度の力・トルクセンサーにも適用可能である。第１の長さＬが高さＨよりも大きく確保できる限り、連結部の変形例についてはこれ以上説明しない。

【0024】

図８は図７に示す連結部８０３の断面図を概略的に示す図である。図８に示すように、接触端３０３６は、連結部３０３の外面の一側に設けられ、他方の接触端３０３８は、連結部３０３の外面の他方側に設けられる。第１ピラー３０１の第２端３０１ｂは接触端３０３６を介して連結部３０３に接続される。第２ピラー３０２の第２端３０２ｂは接触端３０３８を介して連結部３０３に接続される。

【0025】

連結部３０３に相対的長い第１長さＬと相対的短い高さＨを具備させるのは、連結部３０３の大部分が多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に垂直な方向に延び、小部分が多自由度の力・トルクセンサー１００の軸方向に延びるという意味である。このように、連結部３０３はその大部分がＸＹ平面において延びるため生じるビーム曲げ効果によって、Ｚ方向におけるたわみに寄与する。接続部３０３の前記大部分が薄く、長いほど、Ｚ方向での剛性が低くなる。図７に示すように、Ｘ方向におけるたわみについて、連結部８０３は主にＸＹ平面において回転し、連結部８０３とピラーとの間の接続の剛性は、回転に対する抵抗を決定する。具体的には、Ｙ方向におけるたわみについて、連結部は（ｉ）Ｘ軸の周りでねじれ、（ｉｉ）Ｚ軸の周りで曲がることができる。下記、図７に示す環状連結部を例とする。この例示において、この環状連結部は、長い環状部を含み、この連結部がＹ方向へのビームのたわみに寄与する。環状形状がＺ方向において厚く、Ｙ方向において薄いほど（即ちＸＺ平面で環状形状がベルト状に類似する）、Ｙ方向へのビーム曲げたわみ（これは、上記（ｉ）の場合に対応する）が発生しやすくなる。この環状形状がＹ方向において厚く、Ｚ方向におけて薄いほど（即ちＸＹ平面で環状形状がベルト状に類似する）、連結部がＹ方向の周りでねじれたり、または座屈したりしてたわむこと（上記（ｉｉ）の場合に対応する）が発生しやすくなる。

【0026】

また、上記の各例示において、弾性部材を第１剛性プレート及び第２剛性プレートの縁部に設けても良い。これは、センサーからトルクへの抵抗の低減、トルクに対する感知範囲の増大に寄与する。簡単に言えば、弾性部材の位置は、多自由度の力・トルクセンサーの剛性と感知範囲に影響を与える可能性がある。弾性部材を多自由度力・トルクセンサーの中心位置に向けて配置した場合に、Ｚ軸における剛性と感知範囲には影響しないが、Ｘ軸及びＹ軸の周りのトルク性能は、トルクアームが短くなるため低減する。この原理は、Ｘ、Ｙ方向における力及びＺ軸回りのトルクにも適用する。

【0027】

多自由度の力・トルクセンサーに加えられた外力およびトルクは、弾性部材における局所的な垂直方向の力および水平方向の力に変換されることができると理解できる。したがって、第１ピラー、第２ピラーおよび連結部の形状、ならびにそれらの間の相互接続は、それらの局所的な力に適応するように調整することができる。

【0028】

上記各実施例及び例示において、シグナルペアは、例えば第１剛性プレート１０と第２剛性プレート２０との間に配置され、弾性部材３０と平行に配置されることができる。シグナルペアのそれぞれは、信号発信機及び信号受信機を含む。一例として、６つの信号チャネルが設置されると、それらのうちの３つのチャンネルが弾性部材３０の相対水平変位を感知するように配置され、他の３つのチャンネルが弾性部材３０の相対垂直変位を感知するように配置されてもよい。よって、感知された情報からＸ、Ｙ、Ｚ方向におけるセンサーに加わる力、及びＸ、Ｙ、Ｚ軸周りのトルクを算出することができる。センサーにシグナルペアを取り付ける方法は、上述の機能が実現できる限り、センサーの実際の構造に基づいて当業者によって決められることを理解できる。センサーにシグナルペアを取り付ける方法及び位置は、本明細書の開示に限定されない。

【0029】

図９は本発明の一実施例に係る多自由度の力・トルクセンサー２００の斜視図である。図に示すように、センサー２００は、第１剛性プレート１１、第２剛性プレート２２及び６つの弾性部材３３を含む。６つの弾性部材３３は、第１剛性プレート１１と第２剛性プレート２２との間に位置する。具体的には、６つの弾性部材３３は、第１剛性プレート１１及び第２剛性プレート２２の外縁に位置し、同時に、弾性部材３３は、それぞれ第１剛性プレート１１及び第２剛性プレート２２に接続される。弾性部材３３として、上記に図面を合わせて説明された各弾性部材を採用することができる。簡潔にするために、弾性部材の形状についてはこれ以上説明しない。図９に示す例示によれば、第１剛性プレート１１と第２剛性プレート２２との間にはシグナルペアが設けられ、シグナルペアの一部が弾性部材３３の局所的な水平変位の感知に用いられ、シグナルペアの他の一部が弾性部材３３の局所的な垂直変位の感知に用いられる。弾性部材３３の数は６つに限定されない。実際には、６つ以上または６つ未満の弾性部材を使用することができる。

【0030】

図１０は本発明の実施例に係る多自由度の力・トルクセンサーを含む例示的なロボット９００を示す図である。図１０に示すように、複数のリンク９０１及びエンドエフェクタ９０２は連続して接続される。エンドエフェクタ９０２は、エンドエフェクタ９０２に加えられた外力及びトルクを検出するための多自由度の力・トルクセンサーを含む。ここで、多自由度の力・トルクセンサーとしては、上記に各例示を合わせて説明された多自由度の力・トルクセンサー、例えば多自由度の力・トルクセンサー１００又は２００を採用することができる。別のいくつかの実施例において、ロボット９００の他の部材に上記多自由度の力・トルクセンサーを設置することもできる。例えば、多自由度の力・トルクセンサーは、ロボット９００の関節アクチュエータ（ラベル付けされていない）に設置することができる。

【0031】

以上前述した実施例は本発明のいくつかの実施形態のみを示し、その説明が具体的且つ詳細であるが、これによって発明の特許範囲を限定するものと理解すべきではない。指摘すべきこととして、当業者にとって、本発明の構想から逸脱することなく、さらにいくつかの変形及び改良を行うことができ、これらはいずれも本発明の保護範囲に属する。したがって、本発明特許の保護範囲は添付する特許請求の範囲を基準とすべきである。

【符号の説明】

【0032】

１０、１１ 第１剛性プレート
２０、２２ 第２剛性プレート
３０、３３ 弾性部材
１００、２００ 力・トルクセンサー
３０１ 第１ピラー
３０１ａ 第１端
３０１ｂ 第２端
３０２ 第２ピラー
３０２ａ 第１端
３０２ｂ 第２端
３０３ 接続部
４０３ 連結部
５０１ 第１部分
５０２ａ 第２部分
５０２ｂ 第２部分
５０３ 連結部
６０１ａ 第１サブ部分
６０１ｂ 第２サブ部分
６０２ 第２部分
６０３、７０３、８０３ 連結部
９００ ロボット
９０１ リンク
９０２ エンドエフェクタ
３０３６、３０３８ 接触端

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【国際調査報告】