JP2002082005A

JP2002082005A - 無指向性荷重検出センサ

Info

Publication number: JP2002082005A
Application number: JP2000271818A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Odajima; 正小田島
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2002-03-22
Also published as: US20020026838A1; US6708567B2

Abstract

(57)【要約】【課題】（１）計測する力の方向が変化しても、その
方向の影響を受けずに接触荷重を正確に計測することが
でき、（２）取り付けが容易であり、取り付け直後から
計測ができ、（３）瞬間的な衝撃荷重に強く、（４）対
象物との接触時のモデル化が容易であり、（５）センサ
の感度低下のおそれもない無指向性荷重検出センサを提
供する。【解決手段】内部に気体が密封された中空弾性体２
と、中空弾性体内の気体の圧力を検出する圧力センサ４
と、中空弾性体を外部の可動部材に連結するアダプタ６
とを備える。中空弾性体２は、肉厚がほぼ一定の中空球
体部２ａを有し、外部からの接触荷重により変形して内
圧が上昇し、これを圧力センサ４で検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷重方向の影響を
受けずに接触荷重を検出する無指向性荷重検出センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】歩行ロボットの脚先やロボットハンドの
指先などでは、脚に作用する荷重や指先に作用する荷重
を正確に検出する必要が生じる。また、ロボット以外の
一般機械でも、可動部材と外部の部材との機械的な接触
時にその接触荷重を検出する必要がある場合は多い。

【０００３】従来、かかる接触荷重の検出には、一般的
には部材の一部に歪みゲージを取り付け、接触時の接触
荷重による抵抗値の変化によって生じる電位変化を計測
することで行われていた。また、歪みゲージを応用した
ロードセルや、荷重方向を検出するためにモジュール化
された６軸力センサ等も開発されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した歪み
ゲージ、ロードセル、６軸力センサ等には、以下の問題
点があった。

【０００５】（１）計測できる力の方向がセンサ又はそ
の取り付け方向によって限定される。歪みゲージやロー
ドセルでは、荷重の作用する方向が予め分かっている必
要があり、これが一致しない場合には誤差が大きく正確
な計測ができない。また、６軸力センサでは、荷重の方
向も検出できるが、センサ自体が複雑かつ大型化する。（２）歪みゲージは取り付けに手間と時間がかかる。す
なわち、正確な計測のためには専用の接着剤を用いた取
り付けが必要であり、その硬化時間内の計測は不可能で
ある。（３）歪みゲージは瞬間的な過大力に弱く、過大な衝撃
力が作用するとゲージ自体が損傷する。より厳密には、
過大力によってゲージ自体が損傷するのではなく、ゲー
ジを取り付けた部材が恒久的に歪んでしまうことで計測
の精度が保てなくなる。ロードセルや６軸力センサは、
ストッパ等で過大力を内部のセンサ（歪みゲージ等）に
伝達しないようにできるが、構造が複雑化し大型とな
る。（４）剛体の接触は制御対象のモデル化を困難にする。
すなわちロボット側の固い部分と、床等の固い対象との
接触時に、剛体同士の接触により衝撃力が生じ、過大な
荷重が瞬時に周期的に作用するので、その瞬間のロボッ
ト等のモデル化が困難になる。

【０００６】更に、（３）（４）の問題を解決するため
に、バネ成分となる要素を荷重センサの先端に取り付け
ることが考えられるが、この場合には荷重センサの感度
を損なうおそれがある。

【０００７】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、（１）計測する力の方向が変化しても、その方向の
影響を受けずに接触荷重を正確に計測することができ、
（２）取り付けが容易であり、取り付け直後から計測が
でき、（３）瞬間的な衝撃荷重に強く、（４）対象物と
の接触時のモデル化が容易であり、（５）センサの感度
低下のおそれもない無指向性荷重検出センサを提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、内部に
気体が密封された中空弾性体（２）と、該中空弾性体内
の気体の圧力を検出する圧力センサ（４）と、中空弾性
体を外部の可動部材に連結するアダプタ（６）とを備え
た、ことを特徴とする無指向性荷重検出センサが提供さ
れる。

【０００９】上記本発明の構成によれば、中空弾性体
（２）の内部に気体が密封されているので、この中空弾
性体が外部の物体と接触すると部分的に変形して内部の
気体圧力が上昇する。従って、この圧力上昇を圧力セン
サ（４）で検出することにより、接触荷重を計測するこ
とができる。また、アダプタ（６）により中空弾性体を
外部の可動部材に連結することにより、容易に取り付け
ができ、かつ取り付け直後から計測ができる。従ってこ
の無指向性荷重検出センサを例えば歩行ロボットの脚先
やロボットハンドの指先などに取り付け、脚に作用する
荷重や指先に作用する荷重を正確に検出することができ
る。また、中空弾性体（２）の変形による圧力上昇を圧
力センサ（４）で検出するので、中空弾性体が緩衝材と
して作用するので瞬間的な衝撃荷重に強く、かつセンサ
の感度低下のおそれがない。また、衝撃荷重のような急
激な荷重変動がないので、対象物との接触時のモデル化
が容易である。

【００１０】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
圧力センサ（４）は、中空弾性体内の気体を導入する導
入管（４ａ）と導入された気体の圧力を検出する検出部
（４ｂ）とからなり、前記中空弾性体（２）は、肉厚が
ほぼ一定の中空球体部（２ａ）と、前記導入管（４ａ）
を気密に保持し中空球体部内の気体を導入管に連通する
連通部（２ｂ）とからなる。連通部（２ｂ）は中空球体
部（２ａ）の圧力変化により変形しないように肉厚を大
きくするのが好ましい。

【００１１】この構成により、球状の中空球体部（２
ａ）を接触荷重の大きさに比例して変形させることがで
き、荷重方向の影響を受けずに接触荷重を正確に計測す
ることができる。また、導入管（４ａ）を連通部（２
ｂ）に挿入するだけで、中空球体部を密封したままで、
内部の気体を検出部（４ｂ）に導入して圧力を計測する
ことができる。

【００１２】また、前記アダプタ（６）は、中空弾性体
（２）の連通部（２ｂ）を密着して囲んで導入管（４
ａ）と連通部（２ｂ）との気密性を高め、かつ中空球体
部（２ａ）の一部に連結されている。この構成により、
導入管（４ａ）と連通部（２ｂ）との気密性を高めて内
部の気体の漏れを防止するとともに、中空球体部（２
ａ）の一部をアダプタ（６）を介して例えば歩行ロボッ
トの脚先やロボットハンドの指先などに取り付けること
ができる。

【００１３】更に、連通部（２ｂ）の反対側に位置する
中空球体部（２ａ）の半球部分に作用する外力と、圧力
センサ（４）の出力とがほぼ比例するように、中空球体
部（２ａ）の肉厚と硬度が設定されている。この構成に
より、接触荷重（外力）と圧力センサ（４）の出力が比
例するので、センサ出力から接触荷重を容易に知ること
ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。図１は、本発明の無指向性荷重検出センサの全体構
成図であり、（Ａ）は組立状態の縦断面図、（Ｂ）は分
解状態の縦断面図である。この図に示すように、本発明
の無指向性荷重検出センサ１０は、中空弾性体２、圧力
センサ４及びアダプタ６を備える。

【００１５】中空弾性体２は、この例では、肉厚がほぼ
一定の中空球体部２ａと肉厚が中空球体部２ａより大き
い（厚い）連通部２ｂとからなる。連通部２ｂには、中
空球体部２ａの内部と外部を連通する貫通孔３が設けら
れている。また、この連通部２ｂはこの例では切頭円錐
形に形成され、アダプタ６との密着を容易にしている。
更に、連通部２ｂの貫通孔３に後述する圧力センサ４の
導入管４ａを挿入することにより、中空球体部２ａの内
部を気密に保持したままで、中空球体部内の気体を導入
管４ａに連通するようになっている。

【００１６】中空弾性体２は、この例ではシリコンゴム
で作られ、内部に常圧（大気圧）の空気が密封されてい
る。なお中空弾性体２は、可撓性のある材料、例えば天
然ゴム、合成ゴム等であってもよい。また、内部に密封
する気体とは、空気の他、必要に応じて不活性ガスを用
いてもよい。また、気体を必要に応じて加圧して封入し
てもよい。

【００１７】圧力センサ４は、中空弾性体２内の気体を
導入する導入管４ａと、導入された気体の圧力を検出す
る検出部４ｂとからなる。導入管４ａは中空円筒形であ
り、直径が中空球体部２ａの貫通孔３よりも若干大き
く、その挿入部からの気体の漏れを防止できるようにな
っている。また、検出部４ｂは、例えば歪みゲージ又は
ピエゾ素子を備え、中空弾性体２内の圧力に比例した電
圧信号を出力する。この圧力センサ４としては市販の圧
力センサ、例えば、松下制御製、ＰＦプレッシャーセン
サを用いることができる。

【００１８】なお、圧力センサ４の形態は、この例に限
定されず、例えば導入管４ａを十分長くし、検出部４ｂ
を離れた位置に設置してもよい。また、圧力センサ４全
体を中空弾性体２の内部に封入し、出力信号を外部に取
り出すようにして、気体の漏れを完全に防止してもよ
い。なお、この場合、大気圧との相対的な圧力差を検出
するセンサではなく、絶対圧を計測できるセンサを用い
る必要がある。

【００１９】アダプタ６は、中空弾性体２の連通部２ｂ
を密着して囲み、導入管４ａと連通部２ｂとの気密性を
高めるように形成されている。また、アダプタ６の内面
は、この例では連通部２ｂの切頭円錐形が密着して嵌ま
るように同様の切頭円錐形に形成されている。更にこの
アダプタ６は、別の部分で中空球体部２ａの一部に接着
剤又は後述する取っ手２ｃを介して強固に連結されてい
る。この構成により、かかるアダプタ６を外部の可動部
材（例えば、歩行ロボットの脚先やロボットハンドの指
先など）に連結し、無指向性荷重検出センサ１０全体を
固定することができる。

【００２０】上述した本発明の無指向性荷重検出センサ
１０は、以下のように作動する。歩行ロボットの脚先や
ロボットハンドの指先などに取り付けられた無指向性荷
重検出センサ１０は、脚先や指先が床やつかむ物体等に
接触する際に、中空ゴム球（中空弾性体２）が床や物体
に接触し、接触時の接触荷重力を受けることでゴム球内
の圧力が上昇する。それを圧力センサ４で検出すること
で受けた荷重を電圧の変化として計測する。

【００２１】中空弾性体２は、センサ４の取り付け方向
に依存せず、すべての方向からかかる力により変形し内
部の圧力Ｐが上昇するので、すべての方向からの荷重を
計測することが可能となる。また、接触点がゴム球で構
成されているため、剛体同士の接触を回避することがで
き、モデル化の困難さを解消できる。さらに既存の力セ
ンサにバネ成分を持つ要素を取り付けることで剛体の接
触を回避する場合とは異なり、バネ成分要素（ゴム球）
の歪み自身が力の検出を可能にしているため、力センサ
としての感度を損なうことがない。また、ロボット等の
機器への取り付けは、アダプタを介して行われるため容
易に行われる。また、構成要素が少なくコンパクトに作
ることができ、歩行ロボットの脚先やロボットハンドの
指先などの機器へ容易に取り付けることができる。

【００２２】図２は、本発明の無指向性荷重検出センサ
の製造工程を示す図である。この図において、（Ａ）
（Ｂ）はアダプタ６の製造工程、（Ｃ）はこの工程に用
いる中空弾性体２の構成を示している。

【００２３】アダプタ６は無指向性荷重検出センサ１０
と機器とを接続するために不可欠な部分である。また、
硬度の低いゴム部（中空球体部２ａ）と圧力センサ４の
双方を互いに固定する役目も果たす。アダプタ６とシリ
コンゴムからなる中空ゴム球２は、素材の性質上接着す
ることが困難であるため、中空ゴム球２の表面に固定し
た取っ手２ｃを介して機械的接合によって一体化する。

【００２４】すなわち、試作した無指向性荷重検出セン
サは、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、中空ゴム球２と
アダプタ６の形状をもつメス型８との間に、アダプタ７
の材料である注型用ポリウレタン樹脂７を流し込むこと
で製造した。また、中空ゴム球２の表面に固定した取っ
手２ｃとしては、図２（Ｃ）に示すように、中空ゴム球
２と同一材料のシリコン製の紐材を予め中空ゴムと一体
化させ、アダプタ内部に取っ手を含ませ、ゴム球とアダ
プタを一体化させている。なお、この取っ手２ｃの形状
は任意であり、紐材の他、コの字状、Ｔ字状の取っ手で
あってもよい。

【００２５】図３は、本発明の無指向性荷重検出センサ
の別の実施形態を示す図である。この図において、
（Ａ）（Ｂ）は上述した構成で厚さが異なるもの、
（Ｃ）（Ｄ）はアダプタを中空弾性体２に一体成形した
ものである。なおこの場合、アダプタの役割の１つであ
る、「機器との接続」ができる程度に中空弾性体２の一
部に機械的強度を持たせる。

【００２６】図３（Ａ）（Ｂ）のように、中空球体部２
ａの厚さを変化させることにより、後述するように、外
力とセンサ出力との関係を調整（最適化）することがで
きる。また、図３（Ｃ）のように、アダプタを中空弾性
体２に一体成形することにより、無指向性荷重検出セン
サ１０をよりシンプルにできる。また、特に荷重方向が
ある程度決まっている場合には、図３（Ｄ）に示すよう
に、中空球体部２ａをほぼ半球状にすることにより、無
指向性荷重検出センサをより小型化できる。また、この
図に示すようにシール装置５（例えばＯリング）を用い
ることにより、内部の気体の漏れを一層完全に防止する
ことができる。

【００２７】図４は、本発明の無指向性荷重検出センサ
の実施例を示す図である。この図において、（Ａ）は、
中空球体部２ａの外径を４０ｍｍ、肉厚を５ｍｍとした
もの、（Ｂ）は同様に外径４０ｍｍ、肉厚１０ｍｍとし
たものである。すなわち、図４（Ａ）は図３（Ａ）に相
当し、図４（Ｂ）は図３（Ｂ）に相当する。なおこの例
において各図の横軸は、縦方向（図３ＫＶ方向）の荷
重、縦軸は圧力センサ４の出力電圧である。

【００２８】すなわち、この実施例では、外径が４０ｍ
ｍ、厚さがそれぞれ５ｍｍと１０ｍｍの２種類の中空ゴ
ム球を用いた無指向性荷重検出センサに、０ｇから１２
００ｇまでの荷重を１００ｇ刻みで作用させ、この出力
を計測した。圧力センサ４には松下制御（株）製のＰＦ
プレッシャーセンサ（ＡＤＰ１１０１）を用い、５．１
Ｖの電位をかけた状態で同圧力センサからの出力をおよ
そ１４０倍に増幅した値を計測した。なおグラフ中の直
線は複数回計測したデータの平均値である。

【００２９】図４から肉厚な球を使った場合（図４
（Ｂ）のほうが荷重に対して優れた線形性を示している
ことが分かる。これは薄肉のゴム球では荷重による歪み
が大きすぎたためと考えられる。計測できる荷重は、ゴ
ム球の厚さ、ゴムの硬度、ゴム球の外径と圧力センサの
感度に依存するが、上記のことを考え合わせると、計測
する荷重が大きい場合はゴム球の厚さを大きくする、ま
たはゴムの硬度を増すことで対処する。すなわち、ゴム
球の歪みが過度に大きくならないようにすることが望ま
しい。

【００３０】なお、どちらの場合もゴム球にかかる荷重
の方向に依らず、およそここに挙げた値を示した。従っ
て、連通部２ｂの反対側に位置する中空球体部２ａの半
球部分（すなわち図３で中空球体部２ａの下部半球の任
意の位置）に作用する外力（図３のＶ方向とＨ方向）
と、圧力センサ４の出力とがほぼ比例するように、中空
球体部２ａの肉厚と硬度を設定するのがよい。すなわ
ち、実際の運用にあたっては、計測する力に合わせて圧
力センサの感度とゴム球の固さ（厚さ，材質）を、取り
付け位置に応じてアダプタとゴム球の形状をそれぞれ設
計する必要がある。

【００３１】図５は、本発明の無指向性荷重検出センサ
の別の実施例を示す図であり、（Ａ）は縦方向荷重（図
３のＶ方向荷重）と出力との関係、（Ｂ）は横方向荷重
（図３のＨ方向荷重）と出力との関係を示している。更
に、図６は、本発明の無指向性荷重検出センサの縦横方
向荷重の比較図である。なお、この試験には、図３
（Ｂ）に相当する無指向性荷重検出センサを使用した。

【００３２】図５及び図６から、本発明の無指向性荷重
検出センサ１０は、縦方向荷重と横方向荷重の出力電圧
がほとんど一致していることがわかる。また、この無指
向性荷重検出センサの中空球体部２ａは、肉厚がほぼ一
定の球形であることから、縦方向と横方向に限定され
ず、肉厚が大きい連通部２ｂを除くすべての方向からの
接触荷重に対して同一の出力信号が得られることがわか
る。

【００３３】すなわち本発明の構成により、球状の中空
球体部２ａを接触荷重の大きさに比例して変形させるこ
とができ、荷重方向の影響を受けずに接触荷重を正確に
計測することができることが確認された。

【００３４】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更でき
ることは勿論である。

【００３５】

【発明の効果】上述したように、本発明の構成によれ
ば、中空弾性体２の内部に気体が密封されているので、
この中空弾性体２が外部の物体と接触すると部分的に変
形して内部の気体圧力が上昇する。従って、この圧力上
昇を圧力センサ４で検出することにより、接触荷重を計
測することができる。また、アダプタ６により中空弾性
体を外部の可動部材に連結することにより、容易に取り
付けができ、かつ取り付け直後から計測ができる。従っ
てこの無指向性荷重検出センサを例えば歩行ロボットの
脚先やロボットハンドの指先などに取り付け、脚に作用
する荷重や指先に作用する荷重を正確に検出することが
できる。

【００３６】また、中空弾性体２の変形による圧力上昇
を圧力センサ４で検出するので、中空弾性体が緩衝材と
して作用するので瞬間的な衝撃荷重に強く、かつセンサ
の感度低下のおそれがない。また、衝撃荷重のような急
激な荷重変動がないので、対象物との接触時のモデル化
が容易である。

【００３７】更に、球状の中空球体部２ａを接触荷重の
大きさに比例して変形させることができ、荷重方向の影
響を受けずに接触荷重を正確に計測することができる。
また、導入管４ａを連通部２ｂに挿入するだけで、中空
球体部２ａを密封したままで、内部の気体を検出部４ｂ
に導入して圧力を計測することができる。

【００３８】従って、本発明の無指向性荷重検出センサ
は、（１）計測する力の方向が変化しても、その方向の
影響を受けずに接触荷重を正確に計測することができ、
（２）取り付けが容易であり、取り付け直後から計測が
でき、（３）瞬間的な衝撃荷重に強く、（４）対象物と
の接触時のモデル化が容易であり、（５）センサの感度
低下のおそれがない、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の無指向性荷重検出センサの全体構成図
である。

【図２】本発明の無指向性荷重検出センサの製造工程を
示す図である。

【図３】本発明の無指向性荷重検出センサの別の実施形
態を示す図である。

【図４】本発明の無指向性荷重検出センサの実施例を示
す図である。

【図５】本発明の無指向性荷重検出センサの別の実施例
を示す図である。

【図６】本発明の無指向性荷重検出センサの縦横方向荷
重の比較図である。

【符号の説明】

２中空弾性体（中空ゴム球）、２ａ中空球体部、２
ｂ連通部、２ｃ取っ手、３貫通孔、４圧力セン
サ、４ａ導入管、４ｂ検出部、５シール部材（Ｏ
リング）、６アダプタ、７樹脂、８アダプタ型、
１０無指向性荷重検出センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に気体が密封された中空弾性体
（２）と、該中空弾性体内の気体の圧力を検出する圧力
センサ（４）と、中空弾性体を外部の可動部材に連結す
るアダプタ（６）とを備えた、ことを特徴とする無指向
性荷重検出センサ。
【請求項２】前記圧力センサ（４）は、中空弾性体内
の気体を導入する導入管（４ａ）と導入された気体の圧
力を検出する検出部（４ｂ）とからなり、前記中空弾性体（２）は、肉厚がほぼ一定の中空球体部
（２ａ）と、前記導入管（４ａ）を気密に保持し中空球
体部内の気体を導入管に連通する連通部（２ｂ）とから
なる、ことを特徴とする請求項１に記載の無指向性荷重
検出センサ。
【請求項３】前記アダプタ（６）は、中空弾性体
（２）の連通部（２ｂ）を密着して囲んで導入管（４
ａ）と連通部（２ｂ）との気密性を高め、かつ中空球体
部（２ａ）の一部に連結されている、ことを特徴とする
請求項２に記載の無指向性荷重検出センサ。
【請求項４】連通部（２ｂ）の反対側に位置する中空
球体部（２ａ）の半球部分に作用する外力と、圧力セン
サ（４）の出力とがほぼ比例するように、中空球体部
（２ａ）の肉厚と硬度が設定されている、ことを特徴と
する請求項２に記載の無指向性荷重検出センサ。