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外力検出方法及び検出装置 コモンズ

国内特許コード P110005483
整理番号 0707-19
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2007-341556
公開番号 特開2009-162599
登録番号 特許第4988545号
出願日 平成19年12月29日(2007.12.29)
公開日 平成21年7月23日(2009.7.23)
登録日 平成24年5月11日(2012.5.11)
発明者
  • 辻 俊明
  • 阿部 茂
  • 金子 裕良
  • 羽生 良輔
出願人
  • 国立大学法人埼玉大学
発明の名称 外力検出方法及び検出装置 コモンズ
発明の概要

【課題】ロボットやマニピュレータ等の可動体に作用する外力の大きさ及び作用点を、接触センサ無しで検出することができる外力検出方法を提供する。
【解決手段】可動体を、剛性を有する甲殻型カバー11で覆い、可動体と前記甲殻型カバーとの間を1または複数の接続体で接続するとともに、接続体の接続箇所に作用する応力またはモーメントを測定する測定手段を設け、測定手段の測定結果を用いて、次式により外力Fdisの大きさ及び作用点Pdisを算出する。Fdis+Fsum=0、Fdis×(Pdis-Po)+Mo=0、Fsum=ΣFj、Mo=Σ{Fj×(Pj-Po)}+ΣMj(Fjは応力測定値、Mjはモーメント測定値、Pjは接続体位置ベクトル、Poはモーメントを求める基準位置の位置ベクトル、Fsumは測定された応力の総和、Moは測定されたモーメントの総和)
【選択図】図2

従来技術、競合技術の概要


近年、ロボットは、医療、福祉、家庭内作業などの分野での利用が検討されているが、こうした人間と接触する環境では、ロボットの動きによって人間に危険が及ばないように十分な安全対策が必要となる。
そのため、ロボットの全身を触覚センサのシートで覆い、人間などへの接触を感知した場合に動作を停止する制御方式が検討されている。しかし、触覚センサは高価であり、ロボットの製造コストが上昇する。また、ロボットの各所に作用する外力の正確な合力が計測できない、と言う欠点も有している。



下記非特許文献1には、ロボットの体表面を剛体のカバーで囲い、このカバーとロボットとの接続を、力覚センサを介して行い、カバーに作用する外力を力覚センサで検出する外力検出装置が開示されている。この装置では、ロボット本体とカバーとが一点で接続され、その接続点に6軸力覚センサが配置されている。また、カバーは、4つの平面を有しているが、各平面には接触センサが貼り付けられている。
6軸力覚センサは、複数の歪みゲージを内蔵しており、3軸(x、y、z軸)方向の力の成分と、3軸の回りのモーメントとが検出できるように構成されている。



この外力検出装置では、剛体のカバーの表面に作用する外力が全てロボット本体とカバーとの接続点に集中するため、その接続点に配置された6軸力覚センサにより、正確に外力ベクトルを検出することができる。
また、接触センサは、外力が作用した面の情報を提供し、6軸力覚センサで検出された応力及びモーメントの情報と、接触センサからの接触面情報とが組み合わせされて、カバーに作用した外力の大きさ及び作用点が算出される。

【非特許文献1】岩田浩康他「人間共存ロボットのための全身触覚インタフェース」日本ロボット学会誌 Vol.20 No.5,PP.543~549,2002年7月

産業上の利用分野


本発明は、ロボットやマニピュレータ等の可動体に作用する外力の検出方法と、その検出装置に関し、簡単な構成で外力の大きさ及び作用点の位置を検出できるようにしたものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
可動体に作用する外力の大きさ及び作用点を検出する検出方法であって、
前記可動体を、剛性を有する甲殻型カバーで覆い、前記甲殻型カバーに一点で接続する1または複数の接続体で該甲殻型カバーと前記可動体との間を接続するとともに、前記接続体の前記甲殻型カバーとの接続点に作用する応力またはモーメントを測定する測定手段を設け、前記甲殻型カバーの幾何形状のデータと、前記1または複数の測定手段により測定された応力またはモーメントに関する5種類の測定値とを用いて、次式により外力Fdisの大きさ及び作用点Pdisを算出し、算出した作用点Pdisが前記甲殻型カバーの幾何形状の上に存在することを利用して作用点Pdisの位置を特定することを特徴とする外力検出方法。
dis +Fsum= 0
dis ×(Pdis - Po )+ Mo= 0
sum =ΣFj
o =Σ{Fj ×(Pj - Po)} + ΣMj
(但し、Fjは、前記測定手段で測定したj番目の前記接続体に作用する応力の測定値、Mjは、前記測定手段で測定したj番目の前記接続体に作用するモーメントの測定値、Pjは、j番目の前記接続体の位置ベクトル、Poは、モーメントを求める基準位置の位置ベクトル、Fsumは、前記測定手段の全てによって測定された応力の総和、Moは、前記測定手段の全てによって測定されたモーメントの総和、また、前記接続体の数をmとするとき、Σは、j=1からmまでの加算を示している。)

【請求項2】
請求項1に記載の外力検出方法であって、前記接続体の数を1に設定するとともに、前記接続体として、前記測定手段を兼ねる、3軸方向の応力成分及び2軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサまたは2軸方向の応力成分及び3軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサを使用し、次式により外力Fdisの大きさ及び作用点Pdisを算出することを特徴とする外力検出方法。
dis +F1= 0
dis ×(Pdis - P1 )+ M1= 0
(但し、F1は、前記センサで測定した応力の測定値、M1は、前記センサで測定したモーメントの測定値、P1は、前記センサの位置ベクトルを示している。)

【請求項3】
請求項1に記載の外力検出方法であって、前記接続体の数を2以上に設定するとともに、前記複数の接続体として、前記測定手段を兼ねる、1軸以上の方向の応力成分または1軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能な複数のセンサであって、当該複数のセンサの測定可能な応力成分の軸数及び測定可能なモーメント成分の軸数の合計が5軸である複数のセンサを使用し、前記式により外力Fdisの大きさ及び作用点Pdisを算出することを特徴とする外力検出方法。

【請求項4】
請求項1に記載の外力検出方法であって、前記接続体として5本のワイヤを使用し、前記測定手段により前記ワイヤの張力を測定し、前記式のFsum及びMoを次式により算出することを特徴とする外力検出方法。
sum =Σ(dj/|dj|)×(fj-foj
o =Σ pj×(dj/|dj|)×(fj-foj
(但し、pjは、j番目の前記ワイヤの可動体側の端点位置、djは、j番目の前記ワイヤのpjを基準とした甲殻型カバー側の端点位置、fjは、前記測定手段で測定したj番目の前記ワイヤの張力の測定値、fojは、外力が作用しない状態でのj番目の前記ワイヤの張力初期値、また、前記ワイヤの数をmとするとき、Σは、j=1からmまでの加算を示している。)

【請求項5】
可動体に作用する外力の大きさ及び作用点を検出する外力検出装置であって、
前記可動体を覆う剛性を有する甲殻型カバーと、
前記甲殻型カバーに一点で接続して該甲殻型カバーと前記可動体の間を接続する1または複数の接続体と、
前記接続体の前記甲殻型カバーとの接続点に作用する応力またはモーメントを測定する測定手段と、
を備え、
前記甲殻型カバーの幾何形状のデータと、前記1または複数の測定手段により測定された応力またはモーメントに関する5種類の測定値とを用いて、請求項1記載の検出方法により外力Fdisの大きさ及び作用点Pdisを算出し、算出した作用点Pdisが前記甲殻型カバーの幾何形状の上に存在することを利用して作用点Pdisの位置を特定することを特徴とする外力検出装置。

【請求項6】
請求項5に記載の外力検出装置であって、前記接続体が、前記測定手段を兼ねる、3軸方向の応力成分及び2軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサまたは2軸方向の応力成分及び3軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサから成ることを特徴とする外力検出装置。

【請求項7】
請求項5に記載の外力検出装置であって、前記接続体が、前記測定手段を兼ねる、1軸以上の方向の応力成分または1軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能な複数のセンサであって、当該複数のセンサの測定可能な応力成分の軸数及び測定可能なモーメント成分の軸数の合計が5軸である複数のセンサから成ることを特徴とする外力検出装置。

【請求項8】
請求項5に記載の外力検出装置であって、前記接続体が、5本のワイヤから成ることを特徴とする外力検出装置。

【請求項9】
請求項5から8に記載の外力検出装置であって、前記可動体がロボットであることを特徴とする外力検出装置。

【請求項10】
請求項5から8に記載の外力検出装置であって、前記可動体がマニピュレータであることを特徴とする外力検出装置。

【請求項11】
請求項5から8に記載の外力検出装置であって、前記可動体が工作機械であることを特徴とする外力検出装置。

【請求項12】
請求項5から8に記載の外力検出装置であって、前記可動体が車椅子であることを特徴とする外力検出装置。

【請求項13】
請求項5から8に記載の外力検出装置であって、前記可動体が乗物であることを特徴とする外力検出装置。
産業区分
  • 測定
  • その他運輸
  • 工業用ロボット
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2007341556thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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