JP2004358634A

JP2004358634A - Soft finger with built-in tactile sensor

Info

Publication number: JP2004358634A
Application number: JP2003162557A
Authority: JP
Inventors: Akito Sano; 明人佐野; Hideo Fujimoto; 英雄藤本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a soft finger with a built-in tactile sensor which accurately grasps a friction coefficient of an article to be gripped, and is applicable to a robot hand in a medical field and the like. <P>SOLUTION: Fingers 2, 2 of a robot hand 1 are formed into a hollow shape having a curved face with a covering element 7 at a tip projected outward by silicone rubber. Tactile sensors 19, 19 and the like comprising a coil spring 9 with a strain gage for detecting a bending moment and a strain gage for detecting a torsion moment adhering thereto are installed inside the covering element 7 approximately vertical to a surface of the covering element 7. Inside of the covering element 7 is filled with silicone gel. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体を把持するロボットハンドに搭載するフィンガーに関するものであり、詳しくは、医療用途に好適に用いることが可能な触覚センサーを内蔵したソフトタイプのフィンガーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットハンドによって物体を把持する場合には、その物体が滑り落ちたり、潰れてしまったりしないように、物体の摩擦係数や重量等の性状に応じた適度な力で物体を把持する制御が必要である。それゆえ、ロボットハンド用のフィンガーの中には、把持する物体の性状を認識するための触覚センサーを先端に内蔵したものがある。かかる触覚センサー内蔵タイプのフィンガーとして、物体を把持する部分を弾性部材によって形成するとともに、ひずみゲージを貼着した板バネを触覚センサーとして弾性部材の内部に鉛直方向に沿って平行に配置させ、ひずみゲージによって検知されたせん断ひずみ量から物体の摩擦係数を推測し、把持動作の制御にフィードバックさせることができるようにしたものが知られている（たとえば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２５４８８４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の触覚センサー内蔵フィンガーは、触覚センサーがひずみゲージを貼着した板バネであるため、一定の方向（鉛直方向）に加わるせん断ひずみを検知することができるものの、その他の方向に加わるひずみを検知することができない。したがって、把持する物体の摩擦係数を正確に把握することができない。それゆえ、上記従来の触覚センサー内蔵フィンガーは、医療分野のような繊細な触覚が必要とされる用途のロボットハンドへの適用が困難である。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来の触覚センサー内蔵フィンガーが有する問題点を解消し、把持する物体の摩擦係数を正確に把握することが可能であり、医療分野等のロボットハンドへの適用が可能な触覚センサー内蔵フィンガーを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる本発明の構成のうち、請求項１に記載された発明の構成は、物体を把持するロボットハンドに搭載されるフィンガーであって、先端の把持部が、弾性部材によって、外向きに突出した曲面を有する中空状に形成されており、ひずみゲージを貼着したコイルバネからなる触覚センサーが、前記把持部の表面に対して略垂直となるように前記把持部の内部に設置されているとともに、前記把持部の内部に、前記弾性部材より軟質な物質が充填されており、把持部の表層と内部とが非均一な構造になっていることにある。
【０００７】
請求項２に記載された発明の構成は、請求項１に記載された発明において、把持部の表面が、蛇腹状構造を有していることにある。
【０００８】
請求項３に記載された発明の構成は、請求項１、または請求項２に記載された発明において、把持部の内部に充填された物質が、ゲル状のシリコン樹脂であることにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る触覚センサー内蔵ソフトフィンガー（以下、単にフィンガーという）の一実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係るフィンガーを用いたロボットハンドを示したものであり、ロボットハンド１は、２つの関節を有する２個のフィンガー２，２、基台１３、図示しない制御装置等によって構成されている。各フィンガー２，２は、第一アーム１５、第二アーム１６、第三アーム１７、第一アクチュエータ３ａ、第二アクチュエータ３ｂ、ヘッド部材１８等によって構成されている。
【００１０】
第一アーム１５は、基台１３の表面に対して略直角となるように固着されており、その第一アーム１５の先端に、第二アーム１６の基端が、回動可能に枢着されている。また、第二アーム１６の先端には、第三アーム１７の基端が、回動可能に枢着されている。そして、第二アーム１６の基端（第一アーム１５の先端）に、第一アクチュエータ３ａが設置されており、第三アーム１７の基端（第二アーム１６の先端）に、第二アクチュエータ３ｂが設置されている。アクチュエータ３ａ，３ｂには、それぞれ、交流式のサーボモーター（定格出力１．４Ｗ）、ハーモニックドライブギア（減速比１／８０）、光学式のエンコーダー（分解能１２８Ｐ／Ｒ）等が内蔵されている。
【００１１】
さらに、ヘッド部材１８のフレーム６には、金属によって扁平な直方体状（長さ×幅＝約３０ｍｍ×約２０ｍｍ）に形成された支持台４が固着されている。そして、その支持台４の前側には、シリコンゴム（信越化学工業社製ＫＥ−１１６）によって形成された被覆体（把持部）７が装着されている。
【００１２】
図２は、被覆体７の斜視図であり、被覆体７は、上面を球面状に膨出させた形状に形成されている。そして、長手方向の曲率半径、幅方向の曲率半径が、それぞれ、約３４ｍｍ、約１４ｍｍに調整されている。また、上面の中央部分に、楕円状の接触部１４が設けられており、その接触部１４には、複数の曲面状突起１１，１１・・が、格子状に突設されている。
【００１３】
一方、図３は、ヘッド部材１８の中央部分（幅方向における中央部分）の鉛直断面を示したものであり、被覆体７は、厚さ約２．０ｍｍのシート状に形成されている（中空状になっている）。また、曲面状突起１１，１１・・の突出形状に合わせて内面が没入した状態になっている（すなわち、蛇腹状構造を有している）。加えて、被覆体７の中央の内面には、長手方向に沿って６個の係合突起１２，１２・・が設けられており、それらの係合突起１２，１２・・には、触覚センサー１９，１９・・が嵌め込み設置されている。
【００１４】
一方、支持台４の中央には、楕球状の隆起部５が設けられている。そして、その隆起部５には、長手方向に沿って、６個の係合突起８，８・・が突設されている。そして、それらの係合突起８，８・・には、各触覚センサー１９，１９・・の基端が嵌め込まれた状態になっている。さらに、被覆体７の内部（被覆体７と支持台４とによって閉塞された空間）には、ゲル状のシリコン樹脂（シリコンゲル、信越化学工業社製ＫＥ１０４−Ｇｅｌ）２９が充填されている。
【００１５】
図４（ａ）は、触覚センサー１９の正面を示したものであり、触覚センサー１９は、断面円形の線素を捲回させたコイルバネ９（バネ線直径＝約０．２６ｍｍ、バネ長さ＝約５．０ｍｍ、バネ直径＝約２．０ｍｍ、）の下端際に、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ、および、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂを貼着し、コイルバネ９の上端際に、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ、および、ひずみゲージ１０ｄ，１０ｄを貼着したものである。なお、ひずみゲージ１０ａ〜１０ｄは、すべてシート状の同一タイプのもの（共和電業社製ＫＦＲ−０２Ｎ−１２０−Ｃ１−１６Ｎ１０Ｃ２）である。
【００１６】
また、図４（ｂ）は、コイルバネ９の下端際におけるひずみゲージ１０ａ，１０ａ、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂの貼着部分を上から見た状態を示したものであり、コイルバネ９の下端縁においては、ひずみゲージ１０ａ，１０ａと、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂとが、コイルバネ９の中心軸に対して９０度の角度をなすように配置されている。一方、図４（ｃ）は、コイルバネ９の上端際におけるひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ、ひずみゲージ１０ｄ，１０ｄの貼着部分を上から見た状態を示したものであり、コイルバネ９の上端縁においては、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃと、ひずみゲージ１０ｄ，１０ｄとが、コイルバネ９の中心軸に対して９０度の角度をなすように配置されている。
【００１７】
さらに、図５（ａ）は、ひずみゲージ１０ａ，１０ａを貼着した線素を示したものであり、ひずみゲージ１０ａ，１０ａは、コイルバネ９の線素の上下において線素に沿って貼着されている（なお、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂは、ひずみゲージ１０ａ，１０ａと同様な配置で貼着されている）。一方、図５（ｂ）は、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃの貼着部分を示したものであり、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃは、コイルバネ９の線素に対して、それぞれ、約４５度、約１３５度傾斜するように貼着されている（なお、ひずみゲージ１０ｄ，１０ｄは、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃと同様な配置で貼着されている）。また、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ、および、ひずみゲージ１０ｄ，１０ｄのリード線２０，２０・・は、支持台４の内部を通って支持台４の外部へ導出されている（図１参照）。
【００１８】
かかる触覚センサー１９においては、コイルバネ９がせん断変形（図４（ａ）の矢印Ａ方向へ変形）すると、線素に曲げモーメント（図５（ａ）の矢印方向のモーメント）が加わり、線素表面が伸縮変形する。コイルバネ９の下端際のひずみゲージ１０ａ，１０ａおよびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂは、そのようにコイルバネ９がせん断変形する際に、線素に加わる曲げモーメントを感度良く検知する。一方、コイルバネ９が伸縮変形（図４（ａ）の矢印Ｂ方向へ変形）すると、線素にねじりモーメント（図５（ｂ）の矢印方向のモーメント）が加わり、線素表面がせん断変形する。コイルバネ９の上端際のひずみゲージ１０ｃ，１０ｃおよびひずみゲージ１０ｄ，１０ｄは、そのようにコイルバネ９が伸縮変形する際に、線素に加わるねじりモーメントを感度良く検知する。また、ひずみゲージ１０ａ，１０ａとひずみゲージ１０ｂ，１０ｂとがコイルバネ９の中心軸に対して９０度の角度をなすように配置されているため、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・がコイルバネ９の線素に加わる曲げモーメントを検知できない特異点を生じさせず、コイルバネ９がいかなる方向にせん断された場合でも、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・が、コイルバネ９の線素に加わるわずかな曲げモーメントをも敏感に検知する。
【００１９】
一方、図６は、ロボットハンド１の制御機構を示したものである。ロボットハンドを制御する制御装置２１は、ＣＰＵ２２、メモリ２３等を有しており、ＣＰＵ２２が、Ｉ／Ｏインターフェース２４を介して、フィンガー２，２のアクチュエータ３ａ，３ｂ・・に内蔵されたサーボモーター２５，２５・・、エンコーダー２６，２６・・と接続されている。また、触覚センサー１９，１９・・に設けられたひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ・・、および、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・が、アンプ（増幅器）２８に接続されており、制御装置２１のＣＰＵ２２が、Ｉ／Ｏインターフェース２４を介して、アンプ２８と接続されている。また、制御装置２１のＣＰＵ２２は、Ｉ／Ｏインターフェース２４を介して、入力手段２７と接続されている。
【００２０】
以下、ロボットハンド１の作動内容について説明する。ロボットハンド１は、入力手段を利用して所定の入力をすると、エンコーダー２６，２６・・、ひずみゲージ１０ａ，１０ｂ・・からの情報に基づいて、サーボモーター２５，２５・・を駆動させることによって、第一〜第三アーム１５〜１７が屈曲し、フィンガー２，２の先端部分が物体の把持（掴持）を行う。
【００２１】
摩擦係数の小さい（滑り易い）物体を把持する場合には、図７（ａ）の如く、物体Ｍとの接触点を中心として、被覆体７の曲面状突起１１，１１・・が被覆体７の表面に沿った方向に動こうとするために、各触覚センサー１９，１９・・のコイルバネ９に、せん断させようとする力（図４（ａ）における矢印Ａ方向の力）が加わり、線素に曲げモーメントが加わることになる。したがって、摩擦係数の小さい物体Ｍを把持する場合には、曲げモーメントを検知するひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・からの検知信号の強度が大きくなる。
【００２２】
それゆえ、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・からの検知信号の強度が大きい場合には、制御装置２１のＣＰＵ２２は、摩擦係数の小さい物体であると判断し、小さな摩擦係数に応じた適切な把持力で物体を把持するように、各アクチュエータ３ａ，３ｂ・・のサーボモーター２５，２５・・を駆動制御する。
【００２３】
一方、摩擦係数の大きい（滑りにくい）物体を把持する場合には、図７（ｂ）の如く、被覆体７の曲面状突起１１，１１・・に被覆体７の表面に沿った力が作用するものの、その力が被覆体７と物体との間に働く摩擦力と打ち消し合うために、各触覚センサー１９，１９・・のコイルバネ９に、せん断させようとする力（図４（ａ）における矢印Ａ方向の力）がほとんど加わらない。したがって、摩擦係数の大きい物体Ｍを把持する場合には、曲げモーメントを検知するひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・からの検知信号の強度が小さくなる。
【００２４】
それゆえ、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・からの検知信号の強度が小さい場合には、制御装置２１のＣＰＵ２２は、摩擦係数の大きい物体であると判断し、大きな摩擦係数に応じた適切な把持力で物体を把持するように、各アクチュエータ３ａ，３ｂ・・のサーボモーター２５，２５・・を駆動制御する。
【００２５】
また、物体を把持する場合には、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃおよびひずみゲージ１０ｄ，１０ｄが、コイルバネ９の伸縮変形に伴って線素に加わるねじりモーメントを感度良く検知することにより、把持力の適切な制御に寄与する。
【００２６】
また、ロボットハンド１においては、フィンガー２が把持動作を実行する際に、シリコンゴムによって中空状に形成された被覆体７が、把持する物体と接触した場合に、微小な力で大きく変形して物体との接触面積を大きくすることにより、被覆体７に加わる力を正確に触覚センサー１９，１９・・のコイルバネ９に伝達する。したがって、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・による曲げモーメントの検知、および、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ・・およびひずみゲージ１０ｄ，１０ｄ・・によるねじりモーメントの検知が高感度なものとなる。また、被覆体７内に充填されたシリコン樹脂２９が、被覆体７の過度の変形を防止するため、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・による曲げモーメントの検知、および、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ・・およびひずみゲージ１０ｄ，１０ｄ・・によるねじりモーメントの検知が、誤差を含まない正確なものとなる。
【００２７】
フィンガー２，２は、上記の如く、先端の被覆体７（把持部）が、シリコンゴムによって、外向きに突出した曲面を有する中空状に形成されており、ひずみゲージ１０ａ，１０ｂ・・を貼着したコイルバネ９からなる触覚センサー１９，１９・・が、被覆体７の表面に対して略垂直となるように被覆体７の内部に設置されているとともに、被覆体７の内部に、シリコンゴムより軟質な物質であるゲル状のシリコン樹脂（シリコンゲル）２９が充填されており、被覆体７の表層と内部とが非均一な構造になっている。したがって、触覚センサー１９，１９・・がいかなる方向にせん断された場合でも、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・がコイルバネ９の線素に加わるわずかな曲げモーメントをも敏感に検知し、把持する物体の摩擦係数を正確に推測することができる（すなわち、触覚センサー１９，１９・・が人体の皮膚の内側に位置したマイスナー小体と近似した作用をする）。それゆえ、推測された物体の摩擦係数をロボットハンド１による把持動作の制御にフィードバックすることによって、摩擦係数が不明な物体であっても確実に把持することが可能となる。また、触覚センサー１９，１９・・により、把持する物体の摩擦係数を非常に正確に推測することができるため、繊細な触覚を必要とする医療用のロボットハンドへも好適に使用することができる。
【００２８】
また、フィンガー２，２は、被覆体７の表面が、蛇腹状構造を有しているため、滑りやすい物体と接触した場合に被覆体７が必要以上に横滑りしないので、把持する物体の摩擦係数を誤差なくきわめて正確に予測することが可能となる。
【００２９】
さらに、フィンガー２，２は、被覆体７の内部に充填された物質が、ゲル状のシリコン樹脂（シリコンゲル）２９であるため、被覆体７の内部の物質の性状が長期間に亘って安定しているので、長期間に亘って、把持する物体の摩擦係数をきわめて正確に予測することができる。
【００３０】
なお、本発明に係るフィンガーの構成は、上記した各実施例の態様に何ら限定されるものではなく、被覆体（把持部）、ゲル状物質、触覚センサー、支持台、アクチュエータ等の形状・構造等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。
【００３１】
たとえば、本発明のフィンガーを搭載するロボットハンドは、２本のフィンガーを搭載したものに限定されず、３本以上のフィンガーを搭載したものでも良い。また、フィンガーは、サーボモーターによってアームの屈曲動作を実行するものに限定されず、他の駆動装置によってアームの屈曲、伸縮等の作動をするものに変更することも可能である。
【００３２】
さらに、被覆体（把持部）を形成する弾性部材は、シリコンゴムに限定されず、合成ゴムやエラストマー等に変更することも可能である。さらに、中空状の把持部内に充填する物質は、ゲル状のシリコン樹脂に限定されず、把持部を形成するシリコンゴムより軟質な合成ゴムや、エラストマー等のシリコンゲル以外のゲル状物質等に変更することも可能である。
【００３３】
一方、把持部の内部に設置する触覚センサーの個数は、６個に限定されず、必要に応じて、適宜増減することができる。また、触覚センサーは、コイルバネに曲げモーメント検知用のひずみゲージとねじりモーメント検知用のひずみゲージとを設置したものに限定されず、曲げモーメント検知用のひずみゲージのみを搭載したものでも良い。さらに、曲げモーメント検知用のひずみゲージを複数搭載したものに限定されず、曲げモーメント検知用のひずみゲージを１個のみ搭載したものでも良い。加えて、コイルバネの弾性率や形状も、フィンガーの用途に合わせて、適宜変更することができる。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１に記載されたフィンガーは、先端の把持部が、弾性部材によって、外向きに突出した曲面を有する中空状に形成されており、ひずみゲージを貼着したコイルバネからなる触覚センサーが、把持部の表面に対して略垂直となるように把持部の内部に設置されているとともに、把持部の内部に、弾性部材より軟質な物質が充填されており、把持部の表層と内部とが非均一な構造になっている。したがって、触覚センサーがいかなる方向にせん断された場合でも、ひずみゲージがコイルバネの線素に加わるわずかな曲げモーメントをも敏感に検知し、把持する物体の摩擦係数を正確に推測することができる。それゆえ、推測された物体の摩擦係数をロボットハンドによる把持動作の制御にフィードバックすることによって、摩擦係数が不明な物体であっても確実に把持することが可能となる。また、触覚センサーにより、把持する物体の摩擦係数を非常に正確に推測することができるため、繊細な触覚を必要とする医療用のロボットハンドへも好適に使用することができる。
【００３５】
請求項２に記載されたフィンガーは、把持部の表面が、蛇腹状構造を有しているため、滑りやすい物体と接触した場合に把持部が必要以上に横滑りしないので、把持する物体の摩擦係数を誤差なくきわめて正確に予測することが可能となる。
【００３６】
請求項３に記載されたフィンガーは、把持部の内部に充填された物質が、ゲル状のシリコン樹脂であるため、把持部の内部の物質の性状が長期間に亘って安定しているので、長期間に亘って、把持する物体の摩擦係数をきわめて正確に予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロボットハンドを示す説明図である。
【図２】被覆体の斜視図である。
【図３】ヘッド部材の断面を示す説明図である。
【図４】触覚センサーを示す説明図である。
【図５】ひずみゲージを貼着したコイルバネの線素を示す説明図である。
【図６】ロボットハンドの制御機構を示す説明図である。
【図７】物体を把持する際に被覆体が変形する様子を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・ロボットハンド、２・・フィンガー（触覚センサー内蔵ソフトフィンガー）、７・・被覆体（把持部）、９・・コイルバネ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ・・ひずみゲージ、１１・・曲面状突起、１９・・触覚センサー、２９・・シリコン樹脂（ゲル状物質）。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a finger mounted on a robot hand for gripping an object, and more particularly, to a soft finger with a built-in tactile sensor that can be suitably used for medical applications.
[0002]
[Prior art]
When grasping an object with a robot hand, it is necessary to control the object to be grasped with an appropriate force according to the properties such as the coefficient of friction and weight of the object so that the object does not slide down or collapse. is there. Therefore, some fingers for robot hands have a built-in tactile sensor at the tip for recognizing the properties of the object to be gripped. As such a tactile sensor built-in type finger, a portion for gripping an object is formed by an elastic member, and a leaf spring to which a strain gauge is adhered is arranged as a tactile sensor inside the elastic member in parallel along the vertical direction, and a strain is applied. There is a known configuration in which a coefficient of friction of an object is estimated from the amount of shear strain detected by a gauge and can be fed back to control of a gripping operation (for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2000-254884
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional finger with a built-in tactile sensor can detect a shear strain applied in a certain direction (vertical direction) because the tactile sensor is a leaf spring with a strain gauge attached thereto, but is applied in other directions. Distortion cannot be detected. Therefore, the friction coefficient of the object to be grasped cannot be accurately grasped. Therefore, it is difficult to apply the conventional finger with a built-in tactile sensor to a robot hand for a use requiring a delicate tactile sense such as in the medical field.
[0005]
An object of the present invention is to solve the problems of the conventional finger with a built-in tactile sensor, to accurately grasp the friction coefficient of an object to be grasped, and to be applicable to a robot hand in a medical field or the like. It is to provide a finger with a built-in tactile sensor.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Among the configurations of the present invention, the configuration of the invention described in claim 1 is a finger mounted on a robot hand for gripping an object, and a grip portion at a tip protrudes outward by an elastic member. A tactile sensor which is formed in a hollow shape having a curved surface and is formed of a coil spring to which a strain gauge is attached is installed inside the grip portion so as to be substantially perpendicular to the surface of the grip portion, A substance softer than the elastic member is filled in the inside of the grip, and the surface and the inside of the grip have a non-uniform structure.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the surface of the grip portion has a bellows-like structure.
[0008]
According to a third aspect of the present invention, in the first or the second aspect of the present invention, the substance filled in the holding portion is a gel-like silicon resin.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a soft finger with a built-in tactile sensor (hereinafter, simply referred to as a finger) according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a robot hand using a finger according to the present invention. A robot hand 1 includes two fingers 2 and 2 having two joints, a base 13, a control device (not shown), and the like. Have been. Each of the fingers 2 includes a first arm 15, a second arm 16, a third arm 17, a first actuator 3a, a second actuator 3b, a head member 18, and the like.
[0010]
The first arm 15 is fixed so as to be substantially perpendicular to the surface of the base 13, and the base end of the second arm 16 is pivotally connected to the distal end of the first arm 15 so as to be rotatable. ing. A proximal end of a third arm 17 is pivotally connected to a distal end of the second arm 16 so as to be rotatable. The first actuator 3a is installed at the base end of the second arm 16 (the tip of the first arm 15), and the second actuator 3b is set at the base end of the third arm 17 (the tip of the second arm 16). Is installed. Each of the actuators 3a and 3b has a built-in AC servomotor (rated output of 1.4 W), a harmonic drive gear (reduction ratio of 1/80), an optical encoder (resolution 128 P / R), and the like.
[0011]
Further, the support 6 formed in a flat rectangular parallelepiped shape (length × width = about 30 mm × about 20 mm) by metal is fixed to the frame 6 of the head member 18. A cover (grip) 7 made of silicone rubber (KE-116 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) is mounted on the front side of the support 4.
[0012]
FIG. 2 is a perspective view of the cover 7, and the cover 7 is formed in a shape in which the upper surface is bulged in a spherical shape. The radius of curvature in the longitudinal direction and the radius of curvature in the width direction are adjusted to about 34 mm and about 14 mm, respectively. An elliptical contact portion 14 is provided at the center of the upper surface, and the contact portion 14 is provided with a plurality of curved projections 11, 11,.
[0013]
On the other hand, FIG. 3 shows a vertical cross section of the central portion (the central portion in the width direction) of the head member 18, and the cover 7 is formed in a sheet shape having a thickness of about 2.0 mm (hollow). Is in shape). Further, the inner surface is immersed (that is, has a bellows-like structure) according to the protruding shape of the curved projections 11, 11,.... In addition, on the inner surface at the center of the cover 7, there are provided six engagement projections 12, 12... Along the longitudinal direction, and the engagement projections 12, 12. 19, 19 ... are fitted and installed.
[0014]
On the other hand, an elliptical raised portion 5 is provided at the center of the support 4. The protruding portion 5 is provided with six engaging projections 8, 8,... Along the longitudinal direction. The base ends of the tactile sensors 19, 19,... Are fitted in the engagement projections 8, 8,. Further, the inside of the cover 7 (the space closed by the cover 7 and the support 4) is filled with a gel-like silicone resin (silicon gel, KE104-Gel manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) 29.
[0015]
FIG. 4A shows the front of the tactile sensor 19, and the tactile sensor 19 is a coil spring 9 (spring wire diameter = about 0.26 mm, spring length = At the lower end of about 5.0 mm, spring diameter = about 2.0 mm), the strain gauges 10a, 10a and the strain gauges 10b, 10b are attached, and at the upper end of the coil spring 9, the strain gauges 10c, 10c, Further, the strain gauges 10d, 10d are attached. The strain gauges 10a to 10d are all of the same sheet type (KFR-02N-120-C1-16 N10C2 manufactured by Kyowa Dengyo Co., Ltd.).
[0016]
FIG. 4B shows a state in which the bonded portions of the strain gauges 10a and 10a and the strain gauges 10b and 10b near the lower end of the coil spring 9 are viewed from above. , The strain gauges 10 a, 10 a and the strain gauges 10 b, 10 b are arranged so as to form an angle of 90 degrees with the center axis of the coil spring 9. On the other hand, FIG. 4C shows a state in which the strain gauges 10c, 10c and the bonded portions of the strain gauges 10d, 10d near the upper end of the coil spring 9 are viewed from above. , The strain gauges 10 c, 10 c and the strain gauges 10 d, 10 d are arranged so as to form an angle of 90 degrees with the central axis of the coil spring 9.
[0017]
FIG. 5A shows a wire element to which the strain gauges 10a, 10a are attached. The strain gauges 10a, 10a are attached along the wire element above and below the wire element of the coil spring 9. (Note that the strain gauges 10b, 10b are attached in the same arrangement as the strain gauges 10a, 10a). On the other hand, FIG. 5 (b) shows the bonded portions of the strain gauges 10c, 10c. The strain gauges 10c, 10c are about 45 degrees and about 135 degrees with respect to the wire element of the coil spring 9, respectively. It is attached so as to be inclined (the strain gauges 10d, 10d are attached in the same arrangement as the strain gauges 10c, 10c). Further, the lead wires 20, 20,... Of the strain gauges 10a, 10a, the strain gauges 10b, 10b, the strain gauges 10c, 10c, and the strain gauges 10d, 10d pass through the inside of the support base 4 and extend outside the support base 4. (See FIG. 1).
[0018]
In such a tactile sensor 19, when the coil spring 9 undergoes shear deformation (deformation in the direction of the arrow A in FIG. 4A), a bending moment (moment in the direction of the arrow in FIG. 5A) is applied to the wire element, and the surface of the wire element Expands and contracts. The strain gauges 10a and 10a and the strain gauges 10b and 10b at the lower end of the coil spring 9 detect the bending moment applied to the wire element with high sensitivity when the coil spring 9 undergoes the shear deformation. On the other hand, when the coil spring 9 expands and contracts (deforms in the direction of arrow B in FIG. 4A), a torsion moment (moment in the direction of the arrow in FIG. 5B) is applied to the wire element, and the surface of the wire element undergoes shear deformation. The strain gauges 10c and 10c and the strain gauges 10d and 10d near the upper end of the coil spring 9 detect the torsional moment applied to the wire element with high sensitivity when the coil spring 9 expands and contracts in this manner. Further, since the strain gauges 10a, 10a and the strain gauges 10b, 10b are arranged so as to form an angle of 90 degrees with respect to the center axis of the coil spring 9, the strain gauges 10a, 10a,. Does not generate a singular point at which the bending moment applied to the wire element of the coil spring 9 cannot be detected, and even if the coil spring 9 is sheared in any direction, the strain gauges 10a, 10a,. Also, a slight bending moment applied to the wire element of the coil spring 9 is sensitively detected.
[0019]
FIG. 6 shows a control mechanism of the robot hand 1. The control device 21 for controlling the robot hand has a CPU 22, a memory 23, and the like. The CPU 22 controls the servo motors built in the actuators 3a, 3b,... Of the fingers 2, 2 via the I / O interface 24. 25, 25... And encoders 26, 26. Further, the strain gauges 10a, 10a,..., The strain gauges 10b, 10b,..., And the strain gauges 10c, 10c. The CPU 22 of the control device 21 is connected to the amplifier 28 via the I / O interface 24. Further, the CPU 22 of the control device 21 is connected to the input unit 27 via the I / O interface 24.
[0020]
Hereinafter, the operation of the robot hand 1 will be described. The robot hand 1 drives the servomotors 25, 25,... Based on information from the encoders 26, 26,... And the strain gauges 10a, 10b,. The first to third arms 15 to 17 bend, and the tips of the fingers 2 and 2 grip the object.
[0021]
When gripping an object having a small coefficient of friction (slippery), as shown in FIG. 7A, the curved projections 11, 11,... In order to move in the direction along the surface of the tactile sensor 19, a force for shearing (force in the direction of arrow A in FIG. 4A) is applied to the coil spring 9 of each tactile sensor 19, 19. A bending moment is applied to the element. Therefore, when grasping the object M having a small coefficient of friction, the strength of the detection signals from the strain gauges 10a, 10a,... And the strain gauges 10b, 10b,.
[0022]
Therefore, when the strength of the detection signals from the strain gauges 10a, 10a,... And the strain gauges 10b, 10b,... Is large, the CPU 22 of the control device 21 determines that the object has a small friction coefficient, and The driving of the servomotors 25, 25,... Of the actuators 3a, 3b,... Is controlled so as to grip the object with an appropriate gripping force according to the coefficient.
[0023]
On the other hand, when gripping an object having a large coefficient of friction (slippery), as shown in FIG. 7B, a force along the surface of the coating 7 acts on the curved projections 11, 11,. However, in order to cancel the frictional force acting between the covering 7 and the object, the force that causes the coil springs 9 of the tactile sensors 19, 19,... To shear (in FIG. 4A) (Force in the direction of arrow A) is hardly applied. Therefore, when grasping the object M having a large coefficient of friction, the strength of the detection signals from the strain gauges 10a, 10a,... And the strain gauges 10b, 10b,.
[0024]
Therefore, when the strength of the detection signals from the strain gauges 10a, 10a,... And the strain gauges 10b, 10b,... Is small, the CPU 22 of the control device 21 determines that the object has a large friction coefficient, and The driving of the servomotors 25, 25,... Of the actuators 3a, 3b,... Is controlled so as to grip the object with an appropriate gripping force according to the coefficient.
[0025]
When grasping an object, the strain gauges 10c and 10c and the strain gauges 10d and 10d detect the torsional moment applied to the wire element with the expansion and contraction of the coil spring 9 with high sensitivity, so that an appropriate grip force can be obtained. Contribute to control.
[0026]
Further, in the robot hand 1, when the finger 2 performs the gripping operation, the cover 7 formed in a hollow shape by the silicone rubber is greatly deformed by a small force when it comes into contact with the object to be gripped. By increasing the contact area with the object, the force applied to the cover 7 is accurately transmitted to the coil spring 9 of the tactile sensors 19, 19,. Therefore, the detection of bending moment by the strain gauges 10a, 10a... And the strain gauges 10b, 10b... And the detection of the torsional moment by the strain gauges 10c, 10c. It becomes. Further, in order to prevent the silicone resin 29 filled in the cover 7 from excessively deforming the cover 7, the bending moment is detected by the strain gauges 10a, 10a,... And the strain gauges 10b, 10b,. Detection of the torsional moment by the strain gauges 10c, 10c,... And the strain gauges 10d, 10d,.
[0027]
As described above, the fingers 2, 2 are formed such that the covering 7 (grip) at the tip is formed in a hollow shape having a curved surface protruding outward by silicone rubber, and the strain gauges 10a, 10b,. The tactile sensors 19, 19,... Comprising the coil springs 9 are installed inside the cover 7 so as to be substantially perpendicular to the surface of the cover 7, and a silicone rubber is provided inside the cover 7. It is filled with a gel-like silicon resin (silicon gel) 29 which is a softer substance, and the surface layer and the inside of the cover 7 have a non-uniform structure. Therefore, even when the tactile sensors 19 are sheared in any direction, the strain gauges 10a, 10a,... And the strain gauges 10b, 10b. It is possible to accurately estimate the coefficient of friction of the object to be detected and grasped (that is, the tactile sensors 19, 19,... Act in a manner similar to the Meissner body located inside the skin of the human body). Therefore, by feeding back the estimated friction coefficient of the object to the control of the gripping operation by the robot hand 1, it is possible to reliably grip the object whose friction coefficient is unknown. In addition, the tactile sensors 19, 19,... Can estimate the coefficient of friction of the object to be gripped very accurately, so that the tactile sensors 19 can be suitably used for a medical robot hand requiring a delicate tactile sensation. .
[0028]
In addition, since the surface of the covering 7 has a bellows-like structure, the finger 2 does not slide more than necessary when it comes into contact with a slippery object. Can be predicted very accurately without error.
[0029]
Furthermore, since the substance filled in the inside of the covering 7 is a gel-like silicon resin (silicon gel) 29, the properties of the substance inside the covering 7 are stable for a long time. Therefore, the coefficient of friction of the object to be gripped can be predicted very accurately over a long period of time.
[0030]
The configuration of the finger according to the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the shape and structure of the cover (grip), gel-like substance, tactile sensor, support base, actuator, and the like are not limited. And the like can be appropriately changed as needed without departing from the spirit of the present invention.
[0031]
For example, a robot hand equipped with the fingers of the present invention is not limited to one equipped with two fingers, and may be one equipped with three or more fingers. Further, the finger is not limited to the one that performs the bending operation of the arm by the servo motor, and may be changed to one that performs the operation such as bending and expansion and contraction of the arm by another driving device.
[0032]
Furthermore, the elastic member forming the cover (grip) is not limited to silicon rubber, but may be changed to synthetic rubber, elastomer, or the like. Further, the material to be filled into the hollow grip portion is not limited to the gel-like silicone resin, but may be changed to a synthetic rubber softer than the silicon rubber forming the grip portion, or a gel-like material other than the silicon gel such as an elastomer. It is also possible.
[0033]
On the other hand, the number of tactile sensors installed inside the grip portion is not limited to six, and can be increased or decreased as needed. Further, the tactile sensor is not limited to a sensor in which a strain gauge for detecting a bending moment and a strain gauge for detecting a torsional moment are installed on a coil spring, but may be a sensor in which only a strain gauge for detecting a bending moment is mounted. Furthermore, the present invention is not limited to the one equipped with a plurality of strain gauges for detecting a bending moment, and may be one equipped with only one strain gauge for detecting a bending moment. In addition, the elastic modulus and the shape of the coil spring can be appropriately changed according to the use of the finger.
[0034]
【The invention's effect】
In the finger according to the first aspect, the grip portion at the tip is formed in a hollow shape having a curved surface protruding outward by an elastic member, and the tactile sensor composed of a coil spring to which a strain gauge is attached is used. It is installed inside the grip part so as to be substantially perpendicular to the surface of the part, and the inside of the grip part is filled with a substance softer than the elastic member. It has a uniform structure. Therefore, even when the tactile sensor is sheared in any direction, the strain gauge can sensitively detect even a slight bending moment applied to the wire element of the coil spring, and can accurately estimate the friction coefficient of the object to be gripped. Therefore, by feeding back the estimated friction coefficient of the object to the control of the gripping operation by the robot hand, it is possible to reliably grip an object whose friction coefficient is unknown. Further, since the friction coefficient of the object to be grasped can be estimated very accurately by the tactile sensor, the tactile sensor can be suitably used for a medical robot hand requiring a delicate tactile sensation.
[0035]
In the finger according to the second aspect, since the surface of the gripping portion has a bellows-like structure, the gripping portion does not slide more than necessary when it comes into contact with a slippery object. Can be predicted very accurately without error.
[0036]
In the finger according to the third aspect, since the substance filled in the grip portion is a gel-like silicon resin, the property of the substance inside the grip portion is stable for a long time, Over a long period of time, the coefficient of friction of the object to be gripped can be predicted very accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a robot hand.
FIG. 2 is a perspective view of a cover.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a cross section of a head member.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a tactile sensor.
FIG. 5 is an explanatory view showing a wire element of a coil spring to which a strain gauge is attached.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a control mechanism of the robot hand.
FIG. 7 is an explanatory view showing a state in which a covering is deformed when gripping an object.
[Explanation of symbols]
1. Robot hand, 2. Finger (soft finger with built-in tactile sensor), 7. Coating body (gripping part), 9. Coil spring, 10a, 10b, 10c, 10d Strain gauge, 11. Curved surface Projection, 19 tactile sensor, 29 silicone resin (gel-like substance).

Claims

A finger mounted on a robot hand for gripping an object,
The grip portion at the tip is formed in a hollow shape having a curved surface protruding outward by an elastic member,
A tactile sensor composed of a coil spring with a strain gauge attached thereto is installed inside the grip portion so as to be substantially perpendicular to the surface of the grip portion,
A soft finger with a built-in tactile sensor, wherein a material softer than the elastic member is filled in the grip, and a surface layer and the inside of the grip have a non-uniform structure.

The soft finger with a built-in tactile sensor according to claim 1, wherein the surface of the grip portion has a bellows-like structure.

The soft finger with a built-in tactile sensor according to claim 1, wherein the substance filled in the holding portion is a gel-like silicon resin.