JP2004230532A

JP2004230532A - 人工表皮

Info

Publication number: JP2004230532A
Application number: JP2003024713A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Tatara; 雄大多々良; Masahiro Umiga; 正博海賀; Takashi Hayashi; 隆志林; Shigeki Sugano; 重樹菅野
Original assignee: Waseda University; Toyota Motor Corp
Current assignee: Waseda University; Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】センシング感度の向上が図られた人工表皮を提供する。
【解決手段】本発明に係る人工表皮１０は、複数のセンシングポイント２０ｂを有するセンシング面２０ａにおいて、接触物体２６の圧力分布を検出するセンサ２０と、センシング面２０ａ上に搭載されると共に、センシングポイント２０ｂの位置に対応する表面１２ａ位置に突部１７を有する弾性体部１０Ａとを備える。この人工表皮１０においては、その表面１２ａに接触物体２６が接触する際、弾性体部１０Ａの突部１７がまず接触物体２６に当接される。この突部１７内においては、人工表皮１０の面方向（矢印Ｚ方向）への圧力の分散が抑制される。そのため、接触物体２６の接触による圧力は、センサ２０のセンシングポイント２０ｂに集中する。したがって、接触物体２６が人工表皮１０の表面１２ａに接触した際、その接触物体２６の圧力分布を感度よく検出することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力の測定に適用される人工表皮に関し、特に、ロボットの表面を覆う皮膚として利用するための人工表皮に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロボットの被覆に適用される人工皮膚の表面構造に関しては、ほとんど研究がすすめられていない。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−１５０４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、上記特許文献１には、硬度の異なる二種類の材料で構成される義手に関する技術が開示されており、その材料として熱可塑性プラスチック（ポリ塩化ビニル）及び気泡性材料が示されているものの、義手の使用に際し化粧手袋をかぶせる旨の記載があり、やはり人工皮膚の表面構造に関しては全く考慮されていない。したがって、ロボットの触覚センサ上に上記特許文献１に示されたようなポリ塩化ビニル製の平坦な弾性膜を搭載して、人工表皮を作製した場合には、以下のような問題があった。
【０００５】
すなわち、図７に示すように、ロボットのセンサ設置部材７０のセンサ設置面７０ａ上に設置されるセンサ７２と、そのセンサ７２上に搭載される弾性膜７４とを備えた人工表皮７６においては、その表面７６ａ側から接触物体７８を接触させた場合、接触物体７８の接触に伴って弾性膜７４内部に発生する応力は弾性膜の厚さ方向（図の矢印Ｘ方向）だけでなく厚さ方向から傾いた方向にもはたらき、その結果として接触による圧力が分散する。そのため、圧力値の検出をおこなうセンサ７２は、そのセンシングポイント７２ａにおいて、接触物体７８が人工表皮７６を押圧した際の圧力を感度よく検出することができず、接触物体７８が人工表皮７６を押圧する領域や圧力値を精度よく検出することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、センシング感度の向上が図られた人工表皮を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る人工表皮は、複数のセンシングポイントを有するセンシング面において、接触物体の圧力分布を検出するセンサと、センシング面上に搭載されると共に、センシングポイントの位置に対応する表面位置に突部を有する表皮膜とを備える。
【０００８】
この人工表皮においては、その表面に接触物体が接触する際、表皮膜の突部がまず接触物体に当接される。この突部内においては、人工表皮の面方向への圧力の分散が抑制される。そのため、接触物体の接触による圧力は、表皮膜の突部の位置に対応する位置に配置されたセンサのセンシングポイントに集中する。したがって、接触物体が人工表皮の表面に接触した際、その接触物体の圧力分布を感度よく検出することができる。
【０００９】
また、表皮膜は弾性を有し、突部は、センシングポイントの位置に対応する表皮膜の表面領域が隆起して形成されていることが好ましい。この場合、単一の材料で表皮膜を構成することが可能であり、人工表皮の構造が簡素になるため、作製が容易になると共に取扱い性が向上する。
【００１０】
また、表皮膜は、センシングポイントの位置に対応する位置に、この表皮膜を厚さ方向に貫通する押圧部材を有しており、突部は、表皮膜の表面側に突出した押圧部材の一端部であることが好ましい。この場合、接触物体が人工表皮の表面に接触した際の圧力は、押圧部材を介してセンサのセンシングポイントに伝達されるため、人工表皮の面方向への圧力分散がさらに抑制される。したがって、押圧部材の位置に対応した位置に配置されたセンサのセンシングポイントにおいて、接触物体が接触した際の圧力を感度よく検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る人工表皮の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る人工表皮を示した斜視部分断面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る人工表皮１０は、上層の弾性体部１０Ａと下層のセンサ部１０Ｂとの２層構造を有している。この人工表皮１０は、ロボットの表面を覆う部材のうち、物体を把持する部分の部材４０の外表面（センサ設置面）４０ａ上に設置され、部材４０に接触する接触物体から受ける圧力の分布状況、すなわち加圧位置とその位置における圧力の大きさとを検出する。
【００１３】
弾性体部１０Ａは、シリコーン製の擬似皮膚膜（表皮膜）１２を有しており、この擬似皮膚膜１２には、その厚さ方向（図の矢印Ｙ方向）に沿う方向に断面円形の貫通孔１４が設けられている。貫通孔１４の内面であって、擬似皮膚膜１２の厚さ方向中央付近には段部１４ａが形成されており、この段部１４ａにおいて貫通孔１４の径の大きさが変わっている。すなわち、段部１４ａから擬似皮膚膜１２の表面１２ａ側は小径部１４ｂであり、段部１４ａからセンサ部１０Ｂ側は大径部１４ｃとなっている。
【００１４】
この貫通孔１４には、円板部分１６ａの平面中心から円板軸方向に円柱部分１６ｂが突出した形状のプラスチック製の押圧ピン（押圧部材）１６が配置されている。すなわち、貫通孔１４の大径部１４ｃ側から小径部１４ｂに、押圧ピン１６の円柱部分１６ｂが差し込まれた配置となっている。押圧ピン１６の円柱部分１６ｂの端部は略球状に成形されており、この球状端部１６ｃが貫通孔１４から擬似皮膚膜１２の表面１２ａに突出し、突部１７が形成されている。
【００１５】
なお、押圧ピン１６の円柱部分１６ｂ及び円板部分１６ａの径はそれぞれ、貫通孔１４の小径部１４ｂ及び大径部１４ｃの径以下となっているため、押圧ピン１６は貫通孔１４の中心軸方向、すなわち、擬似皮膚膜１２の厚さ方向（図の矢印Ｙ方向）に摺動自在となっている。なお、貫通孔１４の小径部１４ｂの径は、押圧ピン１６の円板部分１６ａの径より小さいため、小径部１４ｂと大径部１４ｃの境である貫通孔１４の段部１４ａは、押圧ピン１６の摺動範囲を制限すると共に押圧ピン１６の抜け落ちを防止するストッパの機能を有する。押圧ピン１６の円板部分１６ａの面のうち、円柱部分１６ｂが突出する面の裏面には、円板部分１６ａと同径のスポンジ円板１８が接着固定されている。なお、このスポンジ円板１８も、押圧ピン１６の円板部分１６ａと同様に、貫通孔１４の大径部１４ｃに配置される。
【００１６】
センサ部１０Ｂはシート状のセンサ２０であり、上述した弾性体部１０Ａと部材４０の外表面４０ａとの間に敷設されている。このセンサ２０は、縦ライン部分２２と横ライン部分２４とが格子状に重ね合わせ配列された、いわゆる静電容量型タクタイルセンサであり、このセンサ２０の上面がセンシング面２０ａとなっている。このセンサ２０は、図示しない測定装置により、センシング面２０ａの領域のうち、縦ライン部分２２と横ライン部分２４とが交差する領域２０ｂにおける静電容量の変化を測定する。そして、その静電容量の変化から、この領域（センシングポイント）２０ｂにおける重ね合わせ方向（図の矢印Ｙ方向）の圧力を測定する。なお、センサ２０は、静電容量型タクタイルセンサ以外に、抵抗型タクタイルセンサ等でもよく、抵抗型タクタイルセンサにおいては抵抗値の変化に基づきセンシングポイントの圧力が測定される。
【００１７】
弾性体部１０Ａとセンサ部１０Ｂとは、押圧ピン１６に取り付けられたスポンジ円板１８の位置と、センサ２０のセンシングポイント２０ｂとが一致するように重畳されている。したがって、図３に示すように、擬似皮膚膜１２が表面１２ａ側から接触物体２６によって押圧された場合、まず突部１７である押圧ピン１６の球状端部１６ｃがその接触物体２６に当接し、押圧が進むにつれ、押圧ピン１６がスポンジ円板１８を圧縮して貫通孔１４内に埋没する。そして、圧縮されたスポンジ円板１８の弾性力によりセンサ２０のセンシングポイント２０ｂが加圧され、このセンシングポイント２０ｂにおける圧力検出がおこなわれる。このとき、人工表皮１０のうち接触物体２６に接触している部分は、押圧ピン１６だけであるため、接触物体２６からの押圧力は、押圧ピン１６を通してセンサ２０に伝達される。したがって、接触物体２６の接触による圧力は、人工表皮１０の面方向（図の矢印Ｚ方向）への分散が抑制され、接触物体２６の接触面２６ａ直下のセンシングポイント２０ｂに集中する。なお、接触物体２６が人工表皮１０から離れると、スポンジ円板１８の弾性力によって押圧ピン１６はもとの位置に戻る。
【００１８】
以上詳細に説明したように、本発明の実施形態に係る人工表皮１０においては、接触物体２６の接触による圧力が押圧ピン１６を介してセンサ２０に伝達されるため、接触物体２６が人工表皮１０の表面１２ａに接触した際、その接触物体２６の圧力分布を感度よく検出することができ、従来の人工表皮７６（図７参照）に比べてセンシング感度が向上する。なお、押圧ピン１６の球状端部１６ｃが貫通孔１４内に全て埋没して、擬似皮膚膜１２の表面１２ａが接触物体２６のからの押圧力をうける場合であっても、その押圧力はより硬度の高い押圧ピン１６を介してセンサ２０に伝達されるため、接触物体２６の圧力分布を感度よく検出することができる。
【００１９】
次に、上述した人工表皮の異なる態様について、図４及び図５を参照しつつ説明する。図４は人工表皮１０とは異なる人工表皮３０を示した斜視部分断面図であり、図５は図４に示した人工表皮３０のＶ−Ｖ線断面図である。人工表皮３０は、スポンジ形状の点でのみ、人工表皮１０と異なる。すなわち、人工表皮３０においては、人工表皮１０のスポンジ１８に代えて、擬似皮膚膜１２とセンサ２０との間に平板状のスポンジ平板３２が敷設されている。スポンジ３２がこのような形状であっても、接触物体２６の接触による圧力は押圧ピン１６を介してセンサ２０に伝達されると共に、接触物体２６が人工表皮１０から離れた場合にはスポンジ３２の弾性力によって押圧ピン１６がもとの位置に戻る。
【００２０】
したがって、本発明の実施形態に係る人工表皮３０においても、接触物体２６の接触による圧力が押圧ピン１６を介してセンサ２０に伝達されるため、接触物体２６が人工表皮３０の表面１２ａに接触した際、その接触物体２６の圧力分布を感度よく検出することができるため、従来の人工表皮７６（図７参照）に比べてセンシング感度が向上する。また、スポンジ平板３２はその簡素な形状からスポンジ円板１８に比して作製が容易である上、人工表皮３０を作製する際、そのスポンジ平板３２をセンサ２０上に敷くだけいいので、スポンジ円板１８を貫通孔１４内に配置する人工表皮１０に比べて、人工表皮３０は作製容易となっている。
【００２１】
次に、上述した人工表皮１０及び人工表皮３０とは異なる態様について、図６を参照しつつ説明する。図６は人工表皮１０及び人工表皮３０とは異なる人工表皮３４を示した断面図である。この人工表皮３４は、上述した人工表皮１０及び人工表皮３０とは弾性体部１０Ａの部分のみ異なる。すなわち、人工表皮３４の弾性体部３４Ａは、シリコーン製の擬似皮膚膜３６のみで構成されている。この擬似皮膚膜３６は、センサ２０のセンシングポイント２０ｂの位置において、その上面の領域が隆起した形状となっており、その隆起部分が突部３８となっている。
【００２２】
人工表皮３４の上面３４ａ側から接触物体２６が接触すると、この突部３８にまず接触物体２６の接触面２６ａが当接する。そして、この突部３８の面方向（図の矢印Ｚ方向）にはシリコーンが存在しないため、突部３８においては、接触物体２６の接触による押圧力の面方向への分散は抑制される。したがって、この人工表皮３４においても、接触物体の接触による圧力がセンシングポイント２０ｂに集中して伝達される。そのため、接触物体２６が人工表皮１０の表面１２ａに接触した際、その接触物体２６の圧力分布を感度よく検出することができ、従来の人工表皮７６（図７参照）に比べてセンシング感度が向上する。
【００２３】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、擬似皮膚膜の材料は、シリコーンに限定されず、ゴム、ウレタン等の弾性材料であってよく、また人工表皮１０及び人工表皮３０の態様と同等の態様における疑似皮膚膜の材料においては、硬質プラスチック等の剛性材料であってもよい。また、押圧ピンとセンサとの間のスポンジ円板及びスポンジ平板は、適宜、シリコーン円板（平板）、ゴム円板（平板）、ウレタン円板（平板）、バネ等の弾性部材に代替することが可能である。さらに、人工表皮表面の突起の数は、センサのセンシングポイントの数と一致しなくてもよく、適宜増減することができる。また、上述の人工表皮は、ロボットの物体を把持する部分の部材への適用に限定されず、ロボットの表面全般に適用してもよく、また義手や義足などの義肢に適用してもよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、センシング感度の向上が図られた人工表皮が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る人工表皮の斜視部分断面図である。
【図２】図１の人工表皮のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１の人工表皮に接触物体が接触する様子を示した図である。
【図４】人工表皮の異なる態様を示した斜視部分断面図である。
【図５】図４の人工表皮のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】人工表皮の異なる態様を示した断面図である。
【図７】従来技術に係る人工表皮を示した断面図である。
【符号の説明】
１０，３０，３４，７６…人工表皮、１２，３６，７４…擬似皮膚膜、１４…貫通孔、１６…押圧ピン、１７，３８…突部、１８，３２…スポンジ、２０…センサ、２０ａ…センシング面、２０ｂ…センシングポイント、２６，７８…接触物体、４０，７０…ロボットの部材。

Claims

複数のセンシングポイントを有するセンシング面において、接触物体の圧力分布を検出するセンサと、
前記センシング面上に搭載されると共に、前記センシングポイントの位置に対応する表面位置に突部を有する表皮膜とを備える人工表皮。
前記表皮膜は弾性を有し、前記突部は、前記センシングポイントの位置に対応する前記表皮膜の表面領域が隆起して形成されている、請求項１に記載の人工表皮。
前記表皮膜は、前記センシングポイントの位置に対応する位置に、この表皮膜を厚さ方向に貫通する押圧部材を有しており、
前記突部は、前記表皮膜の表面側に突出した前記押圧部材の一端部である、請求項１に記載の人工表皮。