JP2005349493A - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】指全体の触覚を設定し、複数の信号処理チップを搭載しながらも、指の関節を経由する信号線の本数の増加を抑えることができるロボットハンドを提供する。
【解決手段】節を形作る筒体２１外周に、感圧ゴム２２を重ね合わせてフレキシブル基板２３を巻き付けている。また、フレキシブル基板２３の各端部２３ａ、２３ｂの近傍を折り曲げて、各端部２３ａ、２３ｂを筒体２１のスリット２１ａを介して該筒体２１内側に導入し、筒体２１内側で、フレキシブル基板２３の各端部２３ａ、２３ｂにそれぞれの信号処理チップ２４、２５を搭載している。
【選択図】図２

Description

本発明は、触覚センサを指周りに配置したロボットハンドに関する。

この種の従来の装置としては、例えば特許文献１に記載のものがある。ここでは、指先の腹に相当する部位に弾性体を貼り付け、この弾性体上に圧力検出素子を搭載し、その上からフレキシブルプリント基板を指先周りに巻き付け、指先の爪に相当するフレキシブルプリント基板上の部位にＩＣ回路を搭載し、圧力検出素子の検出信号をフレキシブルプリント基板を介してＩＣ回路に送出して、ここで処理し、ＩＣ回路の信号を複数の信号出力線を通じて外部出力している。
特開平１−３１２４３７号公報

ところで、ロボットハンドの能力が人間に近くなる程、ロボットハンドの指の触覚も人間の指の触覚に近づけねばならない。例えば、指先の腹の触覚だけではなく、指全体の触覚を設定する必要があると考えられる。

しかしながら、特許文献１では、指先の爪に相当する部位をＩＣ回路により占有するため、圧力検出素子を指先の爪に相当する部位に配置することができず、この部位の触覚がない。このため、例えばロボットバンドによる作業に際し、指の爪に相当する部位が対象物に接触しても、これが分からず、繊細な作業には支障が生じた。

また、特許文献１では、１個のＩＣ回路のみを指に配置しているので、仮に指の付け根から指先までに複数の圧力検出素子を配置して、触覚の検出範囲を広げたならば、各圧力検出素子の多数の信号線を指の関節を経由して１個のＩＣ回路へと引き回す必要がある。このため、ロボットハンドの小型化が困難になり、また組み立て及びメンテナンスの作業も困難になった。

更に、特許文献１では、指先の爪に相当する部位のスペースが狭いことから、１個のＩＣ回路のみを設けているが、触覚の検出範囲を広げた場合は、１個のＩＣ回路では信号処理能力が不足した。

そこで、本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、指全体の触覚を設定し、複数の信号処理チップを搭載しながらも、指の関節を経由する信号線の本数の増加を抑えることができるロボットハンドを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、触覚センサを指周りに配置したロボットハンドにおいて、複数の節をそれぞれの関節を介して順次連結して、指を形成しており、指の各節別に、触覚センサを節の略全周に配置すると共に、信号処理チップを節に内蔵し、触覚センサの信号線を指内側に導入して信号処理チップに接続している。

また、本発明においては、信号処理チップは、触覚センサの検出信号を２値信号に変換して、この２値信号をシリアル通信により外部出力している。

本発明のロボットハンドによれば、指の各節別に、触覚センサ及び信号処理チップを設けている。このため、各節別に、触覚センサの信号線を信号処理チップに接続すれば良く、触覚センサの信号線を指の関節を経由して引き回す必要がない。これは、節に設けられる触覚センサの個数を増やして、各触覚センサの信号線が増えたとしても、同様である。また、信号処理チップは、複数の触覚センサの検出信号を処理して、この処理結果を少数の信号線を用いて外部出力する。従って、各節別に、信号処理チップの少数の信号線を指の関節を経由して引き回すだけで済む。このため、ロボットハンドの小型化が容易になり、また組み立て及びメンテナンスの作業も容易になる。

また、各節別に、触覚センサを節の略全周に配置しているので、指全体の触覚が設定される。このため、例えばロボットバンドによる作業に際し、指の爪もしくは甲に相当する部位が対象物に接触しても、これが分かり、繊細な作業を行なうことができる。

更に、指の各節別に、触覚センサの検出信号を信号処理チップにより処理するので、指全体の触覚センサの検出信号を一括処理することと比較すると、信号処理チップの負担が軽くなる。しかも、信号処理チップを節に内蔵するので、節内のスペースに応じて、信号処理チップの個数を増やすことができる。このため、指全体の触覚を設定しても、信号処理能力が不足することはない。

また、本発明によれば、信号処理チップは、触覚センサの検出信号を２値信号に変換して、この２値信号をシリアル通信により外部出力している。シリアル通信は、パラレル通信と比較して、信号出力線の本数が少なくて済む。このため、指の関節を経由して引き回される信号処理チップの信号出力線の本数を抑えることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明のロボットハンドの実施例１における１本の指を示す斜視図である。通常は、ロボットハンドに複数本の指を設けるが、各指の触覚に関する構成が同一のため、ここでは１本の指のみを示している。

本実施例における指１０は、指先に相当する第１節１１と、指の中程の第２節１２と、指の付け根近くの第３節１３とを有し、第１節１１と第２節１２を第１関節１４により連結し、第２節１２と第３節１３を第２関節１５により連結し、第３節１３を第３関節１６によりロボットハンドの手の平（図示せず）に連結している。この指１０の第１乃至第３関節１４、１５、１６を駆動機構（図示せず）により回転して、この指１０を屈伸動作させる。

尚、ロボットハンドの指の駆動機構としては、プーリとワイヤーを組み合わせたものやギヤを組み合わせたもの等、多種多様なものが既に提案されており、いずれの駆動機構を適用しても構わない。

図２は、本実施例の指１０の第１乃至第３節１１〜１３を示す断面図である。第１乃至第３節１１〜１３のいずれにおいても、節を形作る筒体２１外周に、感圧ゴム２２を重ね合わせたフレキシブル基板２３を巻き付けている。また、指の爪もしくは甲に相当する筒体２１の部位にスリット２１ａを形成し、フレキシブル基板２３の各端部２３ａ、２３ｂの近傍を折り曲げて、各端部２３ａ、２３ｂを筒体２１のスリット２１ａを介して該筒体２１内側に導入し、筒体２１内側で、フレキシブル基板２３の各端部２３ａ、２３ｂにそれぞれの信号処理チップ２４、２５を搭載している。

図３は、感圧ゴム２２及びフレキシブル基板２３を平面状に展開して示す斜視図である。図３に示す様にフレキシブル基板２３表面には、多数の圧力検出部３１を行列方向に配列している。各圧力検出部３１は、対向配置された２つの櫛歯電極３１ａ、３１ｂをそれぞれ有している。

また、各圧力検出部３１は、筒体２１外周にフレキシブル基板２３を巻き付けた状態で、節全周に配置され、また節外周の右半分領域にあるものと左半分領域にあるものとで２つの信号処理チップ２４、２５に振り分けて接続される。

節外周の右半分領域と左半分領域のいずれについても、各圧力検出部３１の各列毎に、各櫛歯電極３１ａをフレキシブル基板２３表側の信号線（図示せず）により共通接続して、各列の信号線を信号処理チップに接続し、かつ各圧力検出部３１の各行毎に、各櫛歯電極３１ｂをフレキシブル基板２３裏側の信号線（図示せず）により共通接続して、各行の信号線を信号処理チップに接続している。

従って、各信号処理チップ２４、２５は、節外周の右半分領域と左半分領域別に、フレキシブル基板２３表側の各列の信号線と裏側の各行の信号線に接続される。また、各信号処理チップ２４、２５は、グランド線、電力供給線、信号出力線、及びクロック線という４本の線２６（図２に示す）を通じて外部接続されている。この４本の線２６は、指の関節及び手の平を通じて外部へと引き回される。

感圧ゴム２２は、各櫛歯電極３１ａ、３１ｂに接触した状態でフレキシブル基板２３表面に重ね合わせられ、少なくとも各櫛歯電極３１ａ、３１ｂを除く範囲でフレキシブル基板２３表面に接着される。

また、感圧ゴム２２は、例えばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム等の合成ゴムや、ゴム弾性を示す熱可塑性エラストマー等の非導電性エラストマーの中に、金属粒子、カーボンブラック、黒鉛粒子等の導電性粒子を混合分散させてなる。この感圧ゴム２２は、圧力により圧縮変形したり伸張変形すると、その変形箇所で各導電性粒子が接近もしくは接触して抵抗値が低下する。従って、感圧ゴム２２の抵抗値が低下した箇所、及び抵抗値の低下変動分を検出すれば、感圧ゴム２２のいずれの箇所に、どの程度の圧力が作用したかを知ることができる。

図２に示す様に筒体２１外周に感圧ゴム２２及びフレキシブル基板２３を巻き付けた状態で、信号処理チップ２４は、節外周の右半分領域の各圧力検出部３１別に、列の信号線及び行の信号線を通じて、圧力検出部３１の各櫛歯電極３１ａ、３１ｂ間で感圧ゴム２２の抵抗値を検出する。例えば、櫛歯電極３１ａか櫛歯電極３１ｂのどちらか一方に固定抵抗を接続し（図示せず）、各列の信号線を順次選択し、列の信号線を選択する度に、各行の信号線を順次選択し、固定抵抗と選択した列の信号線の櫛歯電極３１ａと選択した行の信号線の櫛歯電極３１ｂ間に信号電圧を印加して、この間で感圧ゴム２２の抵抗値に対応する信号電圧を検出する。

同様に、信号処理チップ２５は、節外周の左半分領域の各圧力検出部３１別に、列の信号線及び行の信号線を通じて、圧力検出部３１の各櫛歯電極３１ａ、３１ｂ間で感圧ゴム２２の抵抗値を検出する。例えば、櫛歯電極３１ａか櫛歯電極３１ｂのどちらか一方に固定抵抗を接続し（図示せず）、固定抵抗と各櫛歯電極３１ａ、３１ｂ間に信号電圧を印加して、この間で感圧ゴム２２の抵抗値に対応する信号電圧を検出する。

尚、第１節１１では、図１に示す様に筒体２１外周に感圧ゴム２２及びフレキシブル基板２３を設けるだけではなく、筒体２１の先端に直方体２１ｂを支持し、この直方体２１ｂの正面及び各側面にフレキシブル基板（図示せず）を設け、このフレキシブル基板に４片の感圧ゴム３２を重ね合わせて設けている。このフレキシブル基板は、フレキシブル基板２３と同様に、各圧力検出部３１を行列方向に配列し、各列毎に、各櫛歯電極３１ａをフレキシブル基板表側の信号線により共通接続して、各列の信号線を信号処理チップに接続し、かつ各行毎に、各櫛歯電極３１ｂをフレキシブル基板裏側の信号線により共通接続して、各行の信号線を信号処理チップに接続している。従って、第１節１１の信号処理チップは、第１節１１外周だけではなく、直方体２１ｂの正面及び各側面についても、各圧力検出部３１の箇所で感圧ゴム３２の抵抗値を検出する。例えば、櫛歯電極３１ａか櫛歯電極３１ｂのどちらか一方に固定抵抗を接続し（図示せず），固定抵抗と圧力検出部３１の箇所で信号電圧を印加して、その箇所で感圧ゴム３２の抵抗値に対応する信号電圧を検出する。

こうして各信号処理チップ２４、２５は、節外周や指先に配列された各圧力検出部３１の箇所で抵抗値に対応する信号電流を検出すると、各信号電流を２値信号に順次変換して、各信号電流を示すそれぞれの２値信号をシリアル通信により信号出力線を通じて外部出力する。

第１乃至第３節１１〜１３のいずれにおいても、各信号処理チップ２４、２５により節外周や指先に配列された各圧力検出部３１の箇所で抵抗値の検出が行われ、各信号処理チップ２４、２５からそれぞれの２値信号が各信号出力線を通じて外部出力される。これらの２値信号は、例えば外部のマイクロコンピュータに入力される。このマイクロコンピュータは、第１乃至第３節１１〜１３別に、節外周や指先の感圧ゴムのいずれの箇所に、どの程度の圧力が作用したかを判定し、この判定結果を指の触覚により感知されたものとし、指の把持力等を制御するために用いる。

この様に本実施例では、第１乃至第３節１１〜１３別に、感圧ゴム、フレキシブル基板、及び各信号処理チップ２４、２５を設けて、フレキシブル基板の行列方向の各信号線を各信号処理チップ２４、２５に接続し、各信号処理チップ２４、２５により節外周や指先の多数箇所の抵抗値を検出している。

各信号処理チップ２４、２５をグランド線、電力供給線、信号出力線、及びクロック線という４本の線２６だけを通じて外部接続していることから、第１乃至第３節１１〜１３別に、各信号処理チップ２４、２５の４本の線２６を指の関節を経由して引き回せば良い。このため、ロボットハンドの小型化が容易になり、また組み立て及びメンテナンスの作業も容易になる。

また、第１乃至第３節１１〜１３別に、各圧力検出部３１を節の略全周や指先に配置しているので、指１０全体の触覚が設定される。このため、例えばロボットバンドによる作業に際し、指１０の爪もしくは甲に相当する部位が対象物に接触しても、これが分かり、繊細な作業を行なうことができる。

更に、第１乃至第３節１１〜１３別に、各圧力検出部３１の信号電流を各信号処理チップ２４、２５により処理するので、指１０全体の各圧力検出部３１の信号電流を一括処理することと比較すると、各信号処理チップ２４、２５の負担が軽くなる。また、指１０全体の各圧力検出部３１の信号電流の処理能力が不足することもない。

また、各信号処理チップ２４、２５は、圧力検出部３１の信号電流を２値信号に変換して、この２値信号をシリアル通信により外部出力している。シリアル通信は、パラレル通信と比較して、信号出力線の本数が少なくて済む。このため、指１０の関節を経由して引き回される信号出力線の本数を抑えることができる。

尚、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、多様に変形することができる。例えば、図４に示す様に各信号処理チップ２４、２５を筒体２１内で対向させても良い。

また、感圧ゴム２２を分割してフレキシブル基板２３に重ね合わせても良い。例えば、感圧ゴム２２を指の長さ方向に沿って複数の短冊状片に分割してフレキシブル基板２３に重ね合わせて支持したり、指の長さ方向及び周方向に沿って複数の矩形状片に分割してフレキシブル基板２３に重ね合わせて支持する。これは、指の節外周の曲率が大きく、１枚の感圧ゴム２２を節外周に巻き付けるだけでも、感圧ゴム２２にストレスが加わって、感圧ゴム２２の抵抗値が変化してしまって、感圧ゴム２２により圧力が検出された状態になるためであり、感圧ゴム２２を適宜に分割すれば、その様なストレスが節外周の感圧ゴム２２に加わらずに済み、感圧ゴム２２による圧力の検出精度が向上する。

更に、図５の斜視図及び図６の断面図に示す様な指先に相当する第１節１１Ａを用いても良い。この第１節１１Ａは、人間の指先の形状を模倣したものである。

ここでは、筒体２１Ａ外周にフレキシブル基板２３Ａを巻き付けて、指先の腹に相当するフレキシブル基板２３Ａ上の部位に感圧ゴム２２Ａを重ね合わせて支持している。また、筒体２１Ａの先端に断面がＤ字形状の筐体３３を設け、このＤ字形状の筐体３３の正面及び各側面にフレキシブル基板２３Ａを支持して、このフレキシブル基板２３Ａに４片の感圧ゴム３４を重ね合わせて支持している。

また、フレキシブル基板２３Ａの各端部にそれぞれの信号処理チップ２４、２５を搭載し、フレキシブル基板２３Ａの各端部を指先の爪に相当する部位で重ね、各信号処理チップ２４、２５も同部位で重ねている。

従って、この第１節１１Ａは、人間の指先の形状に極めて似ていても、指の爪に相当する部位の触覚がない。ただし、指先の爪に相当する部位のスペースが小さいものの、この部位に２つの信号処理チップ２４、２５を重ねて配置しているので、信号処理能力が不足することはない。

更に、触覚センサとして、感圧ゴム２２及びフレキシブル基板２３の組み合わせを例示しているが、他の種類のものを適用しても良い。例えば、感圧ゴムを２枚のフレキシブル基板に挟み込み、各フレキシブル基板に各列のラインと各行のラインを振り分けて形成したものを適用し、各列のラインと各行のラインのそれぞれの交差箇所で、感圧ゴムの抵抗値を検出する様にしても良い。また、２枚のシート間に感圧液を封入し、各シートに各列のラインと各行のラインを振り分けて形成したものを適用し、各列のラインと各行のラインのそれぞれの交差箇所で、感圧液の抵抗値を検出する様にしても構わない。また、多数の圧電素子を指の節外周に配置しても構わない。

また、信号処理チップの個数を増減しても良い。

本発明のロボットハンドの実施例１における１本の指を示す斜視図である。 図１の指の節を示す断面図である。 図２の節における感圧ゴム及びフレキシブル基板を平面状に展開して示す斜視図である。 図１の指の節の変形例を示す断面図である。 図１の指の第１節の変形例を示す斜視図である。 図５の第１節を示す断面図である。

符号の説明

１０ 指
１１ 第１節
１２ 第２節
１３ 第３節
１４ 第１関節
１５ 第２関節
１６ 第３関節
２１ 筒体
２２ 感圧ゴム
２３ フレキシブル基板
２４、２５ 信号処理チップ

Claims (2)

1. 触覚センサを指周りに配置したロボットハンドにおいて、
   複数の節をそれぞれの関節を介して順次連結して、指を形成しており、
   指の各節別に、触覚センサを節の略全周に配置すると共に、信号処理チップを節に内蔵し、触覚センサの信号線を指内側に導入して信号処理チップに接続したことを特徴とするロボットハンド。
2. 信号処理チップは、触覚センサの検出信号を２値信号に変換して、この２値信号をシリアル通信により外部出力することを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
   
   

Images