JP2004330370A - ロボットハンド用触覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】多数の部位相互間の大きさが異なる負荷を、同じ感度帯で同時に計測して制御できるロボットハンド用触覚センサを提供すること。
【解決手段】印加・レシーブ側端子３０，３１からの集合配線群４０，４１を分岐して５本の指用配線群５ａ〜５ｅ及び掌用配線群６が形成されおり、指用配線群には、指先と第１関節相互間、第１・第２関節相互間、第２・第３関節相互間の圧力分布を検知するため感圧部７ａ〜７ｃが、掌用配線群にはこれのほぼ全域の圧力分布を検知するための感圧部８が、それぞれ接続されているロボットハンド用触覚センサにおいて、全ての感圧部について同じ感度帯が使用されるべく、受ける負荷が小さい感圧部に緩衝材Ｋを貼り付けている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロボットハンド用触覚センサ、特に人間の手と同様に五指及び掌を有するロボットハンド用触覚センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記ロボットハンド用触覚センサとしては、例えば、フィルム状に形成され、ロボットハンドと対応する多部位の圧力を検出できるようにしたものがある（例えば特許文献１がある。）。
【０００３】
近年、医療、介護、福祉目的に人間型ロボットの研究開発が盛んになってきており、特に複雑な動きを必要とされる手指の機構においては、人間の手と同じように、物体の形状や硬さを認識し、把持力を自立的にコントロールする必要性があることから、指、掌に多数の感圧部を持つ触覚センサが必要となっている。
【０００４】
ところが、上記のような多くの感圧部を持つロボットハンドでは、各部位によりかかる負荷がその位置によって大きく異なる場合があり、例えば、一本の指においてもサーボモータの機構上、指先付近よりも指の根元付近の方が大きな負荷がかかるという事態が生じてしまう。このような負荷の差がセンサの感度帯を超えて大きい場合、両方を同時に計測し制御することは不可能になってしまう。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１１８６３５号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明は、多数の部位相互間の大きさが異なる負荷を、同じ感度帯で同時に計測して制御できるロボットハンド用触覚センサを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（請求項１記載の発明）
この発明は、印加・レシーブ側端子からの集合配線群を分岐して５本の指用配線群及び掌用配線群が形成されおり、指用配線群には、指先と第１関節相互間、第１・第２関節相互間、第２・第３関節相互間の圧力分布を検知するため感圧部が、掌用配線群にはこれのほぼ全域の圧力分布を検知するための感圧部が、それぞれ接続されているロボットハンド用触覚センサにおいて、全ての感圧部について同じ感度帯が使用されるべく、受ける負荷が小さい感圧部に緩衝材を貼り付けている。
【０００８】
（請求項２記載の発明）
この発明のロボットハンド用触覚センサは、上記請求項１記載の発明に関し、緩衝材の貼り付け位置は、指先と第１関節相互間の圧力分布を検知するための感圧部である。
【０００９】
（請求項３記載の発明）
この発明のロボットハンド用触覚センサは、上記請求項１又は２記載の発明に関し、緩衝材は、不織布、エラストマーシート、スポンジ板である。
【００１０】
なお、この発明のロボットハンド用触覚センサは、以下の発明の実施の形態の欄で説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態のロボットハンド用触覚センサを図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
〔実施形態１〕
図１はこの発明の実施形態のロボットハンド用触覚センサＳの平面図であり、図２は前記ロボットハンド用触覚センサＳをロボットハンドＲＨに取り付けた状態を示す斜視図である。
（このロボットハンド用触覚センサＳの基本的構成について）
このロボットハンド用触覚センサＳは、図１、図３、図４に示すように、二枚のベースフィルム１，２を使用したセンサ構成要素ＳＸ，ＳＹを接着一体化して厚みを２００μ程度としたフィルム型センサである。
【００１３】
このセンサＳは、図１に示すように、端子部３と、前記端子部３から延びる集合配線群４と、前記集合配線群４から分岐して形成された親指・人差指・中指・薬指・小指用配線群５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ及び掌用配線群６と、各指用配線群５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅにそれぞれ接続された感圧部７ａ，７ｂ，７ｃと、前記掌用配線群６に接続された感圧部８とから構成されている。
【００１４】
なお、この実施形態のロボットハンド用触覚センサＳでは、親指用配線群５ａと接続された感圧部についても他の指と同様の関節を有するものとして製作されている。
【００１５】
また、このロボットハンド用触覚センサＳでは、図２に示すように、ロボットハンドＲＨへの取り付け状態において、全ての感圧部について同じ感度帯が使用されるべく、受ける負荷が小さい感圧部７ａに緩衝材Ｋが貼り付けられるものとしてある。
【００１６】
（ベースフィルム１，２の構成について）
ベースフィルム１，２は、ポリエステル樹脂その他の樹脂により構成されており、数十μｍのものが使用されている。
【００１７】
（端子部３の構成について）
端子部３は、図１に示すように、このロボットハンド用触覚センサＳの端部に、４４個の円形状の印加側端子３０を、５３個の円形状のレシーブ側端子３１を、それぞれ集合配置してある。
【００１８】
（集合配線群４の構成について）
集合配線群４は、図１に示すように、印加側端子３０と接続された４４本の印加側集合配線群４０と、レシーブ側端子３１と接続された５３本のレシーブ側集合配線群４１とから構成され、平面視でＬ字状に形成されている。上記した印加側集合配線群４０及びレシーブ側集合配線群４１はそれぞれ絶縁層で被覆してあり、ベースフィルム１，２が一体化されたときにおいて、これら集合配線群４０、４１相互は絶縁状態になっている。
【００１９】
（親指・人差指・中指・薬指・小指用配線群部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ及び掌用配線群部６の構成について）
親指・人差指・中指・薬指・小指用配線群部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ及び掌用配線群部６は図１に示すように、上記した如く感圧部７ａ，７ｂ，７ｃ、８に接続されるものであるが、具体的な構成については以下の（このロボットハンド用触覚センサＳの製造について）の欄で説明する。
【００２０】
（感圧部７ａ，７ｂ，７ｃ，８の構成について）
感圧部７ａは指先と第１関節相互間、感圧部７ｂは指の第１・第２関節相互間、感圧部７ｃは指の第２・第３関節相互間の圧力分布を、感圧部８は掌の圧力分布を、それぞれ検出するためのものである。
【００２１】
感圧部７ａは、図３や図４に示すように、感圧インク９４を被覆形成した３本の行電極７０と、感圧インク９５を被覆形成した７本の列電極７１とから成り、行電極７０と列電極７１との交差点（３×７＝２１個）が感圧素子として機能し、行電極７０を順次走査していくことで、圧力の分布が検知できるようになっている。
【００２２】
また、感圧部７ｂは、図３や図４に示すように、４本の行電極７０と７本の列電極７１により（感圧素子数が２８個）、感圧部７ｃは１１本の行電極７０と７本の列電極７１により（感圧素子数が７７個）、感圧部８は２５本の行電極７０と１７本の列電極７１により（感圧素子数が約３７０個）、それぞれ構成してある。なお、感圧部７ｂ，７ｃ，８においても上記感圧部７ａの行電極と列電極の数及び感圧素子の数は相違するが、基本的には全く同じようにして圧力の分布が検知できる。
【００２３】
（このロボットハンド用触覚センサＳの製造について）
このロボットハンド用触覚センサＳは以下のように製造される。なお、親指・人差指・中指・薬指・小指用配線群５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ及び掌用配線群６については、代表として親指用配線群５ａのみを説明する。
「センサの構成要素ＳＸの製作」
【００２４】
▲１▼．図１や図３に示すように、ベースフィルム１の一方面に、印加側端子３０、印加側集合配線群４０、根元側配線群５０と先端側配線群５１から成る親指用配線群５ａ及び行電極７０を形成すべく銀ペースト等をスクリーン印刷をする。
【００２５】
この状態では、感圧部７ａ，７ｂ用の行電極７０と先端側配線群５１が、感圧部７ｃ用の行電極７０（２本除く）と根元側配線群５０と印加側集合配線群４０と印加側端子３０が、それぞれ接続状態になっている。先端側配線群５１は根元側配線群５０、印加側集合配線群４０及び印加側端子３０とは接続状態になっていない。
【００２６】
▲２▼．図１や図３に示すように、印加側端子３０、印加側集合配線群４０、及び親指用配線群５ａを覆うように、アクリル系樹脂その他より成る絶縁層９０をベースフィルム１の一方面に印刷形成する。
【００２７】
この状態において、印加側集合配線群４０の分岐点付近の絶縁層９０部分にスルーホールｈ１が、感圧部７ｃ用の行電極７０近傍の絶縁層９０部分にスルーホールｈ２が、それぞれ形成される。
【００２８】
他方、行電極７０を各別に覆うように感圧インク層９４を印刷形成する。
【００２９】
▲３▼．図１や図３に示すように、絶縁層９０上にスルーホールｈ１とスルーホールｈ２とが接続されるように根元側配線群５２を印刷形成する。
【００３０】
この状態において、スルーホールｈ１を介して印加側端子３０と接続された絶縁層９０の下側にある（二点鎖線で示す）印加側集合配線群４０と根元側配線群５２とが接続状態になり、また、スルーホールｈ２及び端子５０ａ，５１ａを介して根元側配線群５２と２本の行電極７０及び先端側配線群５１とが接続状態になっている。つまり、印加側端子３０→印加側集合配線群４０→スルーホールｈ１→根元側配線群５２→スルーホールｈ２→（端子５１ａ→先端側配線群５１の経路で感圧部７ａ，７ｂ用の行電極７０に、他方、端子５０ａの経路で感圧部７ｃ用の行電極７０に）接続されている。
【００３１】
そして、このセンサの構成要素ＳＸでは、印加側集合配線群４０の分岐点付近から感圧部７ｃ近傍までの間では、根元側配線群５０と根元側配線群５２とがセンサ厚み方向に上下二段で配列された状態となっている（図３参照）。
【００３２】
「センサの構成要素ＳＹの製作」
▲１▼．図１や図４に示すように、ベースフィルム２の一方面に、レシーブ側端子３１、レシーブ側集合配線群４１、端子５４ａ，５４ｃ及び接続子５４ｂを有する先端側配線群５４、並びに端子５５ａ及び接続子５５ｂを有する根元側配線群５５を形成すべく銀ペースト等をスクリーン印刷をする。
【００３３】
▲２▼．図１や図４に示すように、レシーブ側端子３１、レシーブ側集合配線群４１、先端側配線群５４、根元側配線群５５を覆うように、アクリル系樹脂、その他より成る絶縁層９１をベースフィルム２の一方面に印刷形成する。
【００３４】
この状態において、絶縁層９０にはスルーホールｈ３，ｈ４，ｈ５，ｈ６，ｈ７が形成される。
【００３５】
▲３▼．感圧部７ａ，７ｂ，７ｃ用の列電極７１、及びスルーホールｈ６とスルーホールｈ７とが接続されるように中間配線群５６を銀ペースト等をスクリーン印刷をする。
【００３６】
この状態において、スルーホールｈ７と接続点５４ｂ、及びスルーホールｈ６と接続点５５ｂを介して、先端側配線群５４と中間配線群５６と根元側配線群５５は接続状態になっている。また、スルーホールｈ３と端子５５ａとが、スルーホールｈ４と端子５４ｃとが、スルーホールｈ５と端子５４ａとが、それぞれ接続状態となっている。
【００３７】
（緩衝材Ｋの選定について）
予め、各指の感圧部７ａ，７ｂ，７ｃと対応するロボットハンドＲＨのトルクや力を計算又は測定しておく。その結果、例えば、感圧部７ａと対応する部分の負荷が、感圧部７ｂ，７ｃと対応する部分の負荷よりも小さい（２／３）場合、感圧部７ａのセンサ出力（感度）を感圧部７ｂ，７ｃのそれの３／２程度にすれば、同じ感度帯で圧力分布が測定できる。
【００３８】
ここで、図５に示すものは、基台上に載せた上記センサＳに、ピストンの出力軸に取り付けた接触子を押し付けた場合の理論荷重（以下、荷重という）とセンサ出力との関係を示すグラフである。このグラフは、センサＳを直接接触子で押し付けた場合、センサＳ上に不織布を載せて接触子で押し付けた場合、センサＳ上にゴムシート（厚みが０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ）を載せて接触子で押し付けた場合について示したものであり、これより明らかなように、センサＳ上に不織布やゴムシートを載せて接触子で押し付けた場合はセンサ出力が高いことが判る。
【００３９】
したがって、感圧部７ａ，７ｂ，７ｃに適度の材料、厚みの緩衝材Ｋを貼り付けることにより、全てにおいてセンサＳの同じ感度帯が使用できることになる。
【００４０】
なお、緩衝材Ｋとしては、１〜３ｍｍ厚の不織布、１〜３ｍｍ厚のエラストマー（例えばゴムシート）、数ｍｍ〜数ｃｍ厚のスポンジ、その他、伸縮性を持つ素材が使用できる。
【００４１】
（このロボットハンド用触覚センサＳのロボットハンドＲＨへの貼り付け、及びこのセンサＳの機能）
このロボットハンド用触覚センサＳをロボットハンドＲＨに貼り付ける場合、先ず、ロボットハンドＲＨの掌に感圧部８を貼り付けた後、掌用配線群６を曲げて他のセンサ部分の裏側面をハンドの甲側に移動させ、続いて感圧部７ａ，７ｂ，７ｃを各指に巻き付けて貼り付ける。この状態においては、感圧部７ａ，７ｂ相互間、及び感圧部７ｂ，７ｃ相互間の指用配線群５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ部分は湾曲した状態になる（図２参照）。
【００４２】
更に、負荷が小さい各指の感圧部７ａについて感圧部７ｂ，７ｃと同程度の感度帯が使用されるべく、指先と第１関節相互間の圧力分布を検知するための感圧部７ａに緩衝材Ｋを貼り付ける。
【００４３】
このロボットハンド用触覚センサＳでは、負荷が小さい各指の感圧部７ａについて感圧部７ｂ，７ｃと同程度の感度帯が使用されるべく、指先と第１関節相互間の圧力分布を検知するための感圧部７ａに緩衝材Ｋを貼り付けてあるから、１枚のセンサシートにより確実に圧力検知ができる。そして、このロボットハンド用触覚センサＳを上記の如く貼り付けたロボットハンドＲＨによると、各感圧部７ａ，７ｂ，７ｃ，８による圧力検知により、人間の手と同じように、物体の形状や硬さを認識させ、把持力を自立的にコントロールすることが可能になる。
【００４４】
〔その他〕
上記実施形態１では、負荷が小さい各指の感圧部７ａについて感圧部７ｂ，７ｃと同程度の感度帯が使用されるべく、指先と第１関節相互間の圧力分布を検知するための感圧部７ａに緩衝材Ｋを貼り付けたものとしてあるが、緩衝材Ｋを貼り付ける位置はこれに限定されることはない。すなわち、全ての感圧部７ａ，７ｂ，７ｃ，８について同程度の感度帯が使用されるべく、受ける負荷が小さい感圧部に緩衝材Ｋを貼り付けるようにしてもよい。
【００４５】
上記実施形態１では、ロボットハンド用触覚センサＳをロボットハンドＲＨに貼り付けた後に緩衝材Ｋを後付けするものであったが、これに限定されるものではなく、予めロボットハンド用触覚センサＳに緩衝材Ｋを貼り付けたものとすることができる。
【００４６】
【発明の効果】
この発明は以下に示すような効果を奏する。
【００４７】
発明の実施の形態の欄に記載した内容から明らかなように、多数の部位相互間の大きさが異なる負荷を、同じ感度帯で同時に計測して制御できるロボットハンド用触覚センサを提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態のロボットハンド用触覚センサの平面図。
【図２】前記ロボットハンド用触覚センサをロボットハンドに取り付けた状態を示す斜視図。
【図３】前記ロボットハンド用触覚センサを構成する、一方のベースフィルムに形成された印加側のセンサ構成要素の説明図。
【図４】前記ロボットハンド用触覚センサを構成する、他方のベースフィルムに形成されたレーシーブ側のセンサ構成要素の説明図。
【図５】緩衝材の選定に使用される荷重−センサ出力の関係を示す線図。
【符号の説明】
Ｓ ロボットハンド用触覚センサ
ＲＨ ロボットハンド
Ｋ 緩衝材
１ ベースフィルム
２ ベースフィルム
３ 端子部
４ 集合配線群
５ａ 親指用配線群
５ｂ 人差指用配線群
５ｃ 中指用配線群
５ｄ 薬指配線群
５ｅ 小指用配線群
６ 掌用配線群
７ａ 感圧部
７ｂ 感圧部
７ｃ 感圧部
８ 感圧部
３０ 印加側端子
３１ レシーブ側端子
４０ 印加側集合配線群
４１ レシーブ側集合配線群

Claims (3)

1. 印加・レシーブ側端子からの集合配線群を分岐して５本の指用配線群及び掌用配線群が形成されおり、指用配線群には、指先と第１関節相互間、第１・第２関節相互間、第２・第３関節相互間の圧力分布を検知するため感圧部が、掌用配線群にはこれのほぼ全域の圧力分布を検知するための感圧部が、それぞれ接続されているロボットハンド用触覚センサにおいて、全ての感圧部について同じ感度帯が使用されるべく、受ける負荷が小さい感圧部に緩衝材を貼り付けていることを特徴とするロボットハンド用触覚センサ。
2. 緩衝材の貼り付け位置は、指先と第１関節相互間の圧力分布を検知するための感圧部であることを特徴とする請求項１記載のロボットハンド用触覚センサ。
3. 緩衝材は、不織布、エラストマーシート、スポンジ板であることを特徴とする請求項１又は２記載のロボットハンド用触覚センサ。

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