JP2005091106A - ２次元分布型力センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロボットハンドの指先部などロボットの全身に簡便に装着でき、法線・接線方向の力を検出可能な２次元分布型力センサ装置を提供する。
【解決手段】 ベースに形成されるＶ字溝２と、このＶ字溝２の両面に形成されるギャップ３Ａを有する電極３と、このギャップ３Ａを有する電極３に接触し前記Ｖ字溝２に配置される円筒形状の感圧素材４と、この円筒形状の感圧素材４を前記Ｖ字溝２に保持するように覆う絶縁性ゴム被膜５とを備え、この絶縁性ゴム被膜５を介して前記円筒形状の感圧素材４に作用する法線及び接線方向力を検出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、２次元分布型力センサ装置に係り、特に、法線・接線方向の力の検出を可能とする２次元分布型力センサ装置に関するものである。

近年、人間と共存するロボットの実現が現実味を帯びてきた。その中で必要とされる技術の１つとして、ロボットの全身を覆う触覚の実現があげられる。

本願発明者らはこれまでの研究において、薄く、柔軟でロボットハンド指先部に装着可能な触覚センサを試作し、物体把持時の圧力分布の取得、把持力の検出に成功している（下記非特許文献１参照）。

また、本願発明者らは、液状感圧ゴムを用いた自由曲面型触覚センサ（下記非特許文献２参照）を提案している。

更に、四角錐状の先端部の各々の面に接合された四つの接触圧センサーと、その先端部がバネ体にて弾力的に保持されるセンサー基部を有し、先端部とセンサー基部の接触面にかかる垂直方向の力と水平方向の力とを同時に検出する力覚センサーが提案されている（下記特許文献１参照）。
特開昭６１−１２２５３９号公報 下条、牧野、小川、鈴木、並木、齋藤、國本、石川、満渕：ロボットハンドからの触覚情報を人間の触覚神経系経由により提示するシステムの開発、第２０回日本ロボット学会学術講演会、１Ｅ３３、２００２ 下条、金森、明、金森、石川：液状感圧ゴムを用いた自由曲面型触覚センサの開発、日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会講演論文集、１Ａ１−３Ｆ−Ｂ３、２００３

人間は物体を把持する時、無意識に触覚受容器からの情報を基に法線・接線方向の力を推定し、物体が滑り落ちない程度の適切な把持力を決定するようにしている。同様に、ロボットハンドによって把持物体を器用に操るためには、把持力と物体の滑り力のフィードバックが必要である。

本発明は、上記状況に鑑み、ロボットハンドの指先部などロボットの全身に簡便に装着でき、法線・接線方向の力を検出可能な２次元分布型力センサ装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕２次元分布型力センサ装置において、ベースに形成されるＶ字溝と、このＶ字溝の両面に形成されるギャップを有する電極と、このギャップを有する電極に接触し前記Ｖ字溝に配置される感圧素材と、この感圧素材を前記Ｖ字溝に保持するように覆う絶縁性弾性被膜とを備え、この絶縁性弾性被膜を介して前記感圧素材に作用する法線及び接線方向力を検出することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の２次元分布型力センサ装置において、前記感圧素材が円筒形状の感圧素材であり、前記絶縁性弾性被膜が絶縁性ゴム被膜であることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の２次元分布型力センサ装置において、前記感圧素材が感圧導電性ゴムからなることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の２次元分布型力センサ装置において、前記検出された法線及び接線方向力を処理する情報処理装置を有することを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の２次元分布型力センサ装置において、ロボットハンドの指先に装着されることを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

（Ａ）ロボットなどの全身を覆えるような薄く柔軟な２次元分布型力センサ装置を提供することができる。

（Ｂ）法線及び接線方向力をコンパクトな装置でかつ的確に検出することができる。

（Ｃ）構造がシンプルでかつ高密度なセンシングも可能である。

本発明は、ロボットなどの全身を覆えるような簡便で薄く柔軟な２次元分布型力センサであり、法線及び接線方向力が検出可能な２次元分布型力センサ装置を開発した。これはベースに格子状にＶ字溝を形成し、そのＶ字溝の両面に電極を配置し、このＶ字溝に配置される円筒形状の感圧素材と、この円筒形状の感圧素材を前記Ｖ字溝に保持するように覆う絶縁性弾性被膜とを備え、この絶縁性弾性被膜を介して前記円筒形状の感圧素材に作用する法線及び接線方向力を検出する。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

（１）２次元分布型力センサ装置
図１は本発明の２次元分布型力センサ装置（ユニット）の概念図、図２はその部分斜視図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。なお、図１においては、絶縁性ゴム被膜を省いた状態で図示している。

これらの図に示すように、ベース１に格子状のＶ字溝２を形成し、そのＶ字溝２の両表面にギャップ３Ａを有する電極３を配置する。例えば、このギャップ３Ａは、０．２ｍｍのギャップである。さらに、このギャップ３Ａを有する電極３に接触し、Ｖ字溝２に配置される円筒形状の感圧素材４（圧力感応導電素材：感圧導電性ゴム）と、この円筒形状の感圧素材４をＶ字溝２に保持するように覆う絶縁性ゴム被膜５とを備えている。この対面する電極３のそれぞれのギャップ３Ａ間の抵抗値の変化によって電池６からの電流が変化し、検出抵抗７の両端の出力電圧が変化することにより、この装置の出力信号から、接線方向力Ｆ_X ，Ｆ_Y ，法線方向力Ｆ_Z を検出する。すなわち、感圧導電性ゴム４に圧力が加わるとギャップ３Ａで隔てられた電極３間の抵抗値が減少し、この抵抗値変化から圧力の検出ができる。

また、この装置はケーブル８を介して触覚情報処理装置（ＬＳＩ）９に接続されている。

ここでは、簡単のため基礎実験用として製作した、一方向にのみＶ字溝を形成し、扇形の感圧素材を用いたセンサ装置（ユニット）により本発明の原理を説明する。

図４は試作したセンサ装置の斜視図、図５はそのセンサ装置に作用する力を示す図である。

これらの図において、１１はベース、１２はベース１１に形成されたＶ字溝、１３はＶ字溝１２の両表面に配置されるギャップを有する電極、１４は扇形の感圧素材（圧力感応導電素材：感圧導電性ゴム）を示している。

図４及び図５に示すように、センサ装置に力Ｆが作用した時、感圧素材１４の左右の電極１３との接触面には垂直抗力Ｎ_R ，Ｎ_L と摩擦力ｆ_R ，ｆ_L が作用する。よって、接線方向力Ｆ_T 、法線方向力Ｆ_N は以下の式で表すことができる。
Ｆ_T ＝Ｎ_L ｃｏｓθ−Ｎ_R ｃｏｓθ−ｆ_L ｓｉｎθ＋ｆ_R ｓｉｎθ …（１）
Ｆ_N ＝Ｎ_L ｓｉｎθ＋Ｎ_R ｓｉｎθ＋ｆ_L ｃｏｓθ＋ｆ_R ｃｏｓθ …（２）
ここで仮定として左右の電極１３との接触面には常に力Ｆが作用するものとする。

常に力が作用すると仮定すると、Ｎ_R ≧０より、
０≦φ≦ｔａｎ^-1（１／ｔａｎθ） …（３）
である。

（２）法線方向力を用いた特性計測実験
図６は本発明にかかる法線方向力を用いた特性計測実験結果を示す図、図７はその法線方向力を用いた特性計測実験装置の図面の代用写真である。

ここでは、図７に示すような扇型の物質（ここでは感圧子）２３の両面に厚さ１ｍｍほどのゴムを貼り付けて、ベース２１に形成されたＶ字溝（２θ＝９０°）２２にセットし、先端が球（φ５ｍｍ）の加圧子２４を取付けた加圧機により法線方向力Ｆ_N のみを加えた。本実験により図６に示した結果が得られこれより以下の近似式を得た。

ｙ＝２７．８１７ｘ^-0.7159 …（４）
ここで、ｙはセンサ抵抗値（Ω），ｘは圧力（ＭＰａ）である。

（３）法線・接線方向力の計測実験
図８は本発明にかかる法線・接線方向力計測実験装置を示す図面の代用写真、図９は本発明にかかる法線・接線方向力の特性計測実験結果を示す図であり、図９（ａ）はＶ字溝の左右の面の圧力とセンサ抵抗値を示す図であり、横軸に圧力（ＭＰａ）、縦軸に抵抗（Ω）を示している。図９（ｂ）は接線方向力Ｆ_T の理論値と実験値とを示す図であり、横軸に時間（秒）、縦軸に接線方向の力Ｆ_T （Ｎ）を示している。図９（ｃ）は法線方向力Ｆ_N の理論値と実験値とを示す図であり、横軸に時間（秒）、縦軸に法線方向力Ｆ_N （Ｎ）を示している。

図８に示すように、２次元分布型力センサ装置３１を配置し、法線・接線方向力を加えた。法線方向力Ｆ_N には重り（０．６ｋｇｗ，１．１ｋｇｗ，１．６ｋｇｗ）３２を用いており定荷重である。接線方向力Ｆ_T は加振機（ＷＩＬＣＯＸＯＮ ＲＥＳＥＡＲＣＨ社製 Ｆ４／Ｚ８２０ＷＡ）３３で加える。加振機３３への入力はパワーアンプで増幅した正弦波を用いた。接線方向力Ｆ_T はロードセル（共和電業社製 ＬＭ−２ＫＡ−Ｐ）３４で検出する。加振周波数は０．５Ｈｚである。

図９に法線方向力Ｆ_N を１．６ｋｇｗとし、接線方向力Ｆ_T を変化させた時の実験結果を示す。図９（ａ）は扇形の感圧子の左右の面に加えた圧力とセンサ抵抗値の関係を示す図である。圧力に応じて抵抗値が変化しているのが確認できる。図９（ｂ）は上記した式（１），（４）より求めた接線方向力Ｆ_T とロードセルで検出した接線方向力Ｆ_T の関係を示す図である。加圧の過程よりも減圧の過程で誤差が大きく生じている。これは感圧導電性ゴムのヒステリシスが原因である。

図９（ｃ）は、上記した式（２），（４）より求めた法線方向力Ｆ_N と定荷重Ｆ_N の関係を示す図である。なお、今回の実験においては扇形の感圧子の左右の面に沿った方向への滑りは無いものとして摩擦力は無視した。表１に各実験時の接線方向力Ｆ_T 、法線方向力Ｆ_N の理論値と実験値との最大誤差を示す。

上記したように、Ｖ字溝の両面に検出部を配置することで法線・接線方向力とも１Ｎ程度の誤差で推定可能であることを示した。誤差の原因としては、感圧導電性ゴムに起因するヒステリシス、近似曲線の精度があげられる。そこで、この誤差を低減するため３次元方向の力を検出するセンサ素子の低ヒステリシス特性を有する液状化感圧導電性ゴムを用いるようにすることができる。なお、かかる液状化感圧導電性ゴムを用いた自由曲面型触覚センサとしては、本願発明者らによって、すでに上記非特許文献２として提案されている。ただし、本願発明のような法線・接線方向の力の検出を可能とする２次元分布型力センサへの適用ははじめてである。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の２次元分布型力センサは、特に、把持等で重要になる接線方向力が検出可能であるため、ロボット用のセンサに適している。

本発明の２次元分布型力センサ装置の概念図である。 本発明の実施例を示す２次元分布型力センサ装置の部分斜視図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施例を示す２次元分布型力センサ装置の斜視図である。 本発明の実施例を示す２次元分布型力センサ装置に作用する力を示す図である。 本発明の法線方向力を用いた特性計測実験結果を示す図である。 本発明の法線方向力を用いた特性計測実験装置の図面の代用写真である。 本発明の法線・接線方向力計測実験装置の図面の代用写真である。 本発明の法線・接線方向力を用いた特性計測実験結果を示す図である。

符号の説明

１，１１，２１ ベース
２ 格子状のＶ字溝
３，１３ 電極
３Ａ ギャップ
４ 円筒形状の感圧素材（圧力感応導電素材：感圧導電性ゴム）
５ 絶縁性ゴム被膜
６ 電池
７ 検出抵抗
８ ケーブル
９ 触覚情報処理装置（ＬＳＩ）
１２，２２ Ｖ字溝
１４ 扇型の感圧素材
２３ 扇型の物質（ここでは感圧子）
２４ 加圧子
３１ ２次元分布型力センサ装置
３２ 重り
３３ 加振機
３４ ロードセル

Claims (5)

1. （ａ）ベースに形成されるＶ字溝と、
   （ｂ）該Ｖ字溝の両面に形成されるギャップを有する電極と、
   （ｃ）該ギャップを有する電極に接触し前記Ｖ字溝に配置される感圧素材と、
   （ｄ）該感圧素材を前記Ｖ字溝に保持するように覆う絶縁性弾性被膜とを備え、
   （ｅ）該絶縁性弾性被膜を介して前記感圧素材に作用する法線及び接線方向力を検出することを特徴とする２次元分布型力センサ装置。
2. 請求項１記載の２次元分布型力センサ装置において、前記感圧素材が円筒形状の感圧素材であり、前記絶縁性弾性被膜が絶縁性ゴム被膜であることを特徴とする２次元分布型力センサ装置。
3. 請求項１又は２記載の２次元分布型力センサ装置において、前記感圧素材が感圧導電性ゴムからなることを特徴とする２次元分布型力センサ装置。
4. 請求項１、２又は３記載の２次元分布型力センサ装置において、前記検出された法線及び接線方向力を処理する情報処理装置を有することを特徴とする２次元分布型力センサ装置。
5. 請求項１、２、３又は４記載の２次元分布型力センサ装置において、ロボットハンドの指先に装着されることを特徴とする２次元分布型力センサ装置。