JP2006064408A - センサモジュールおよびこれを用いたロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】異なる圧力の作用状態を検出する３種類の感圧センサを所望する位置に円滑に混在させて配置することができるセンサモジュールおよびこれを用いたロボットハンドを提供する。
【解決手段】圧力の作用により抵抗値が個々に減少するように抵抗変化率を異ならせた３数種の感圧ゴム１１ａ〜１１ｃによって電極２２を被覆してなる複数の感圧センサ１３ａ〜１３ｃと、これらの感圧センサにより検出された電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断するＣＰＵと、このＣＰＵの判断情報を外部に通信によって伝達する接続端子とを備え、上記複数の感圧センサの電極、ＣＰＵおよび接続端子を電気的に接続してモジュール化している。
【選択図】図３

Description

本発明は、感圧手段の抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断可能に電気的に接続してモジュール化したセンサモジュールおよびこれを用いたロボットハンドに関する。

近年、ロボティクス分野において様々な研究が進められており、工業用のマニピュレータとして開発が進められてきたロボットハンドにおいて、人型のロボットに搭載するための新たな技術が開発されつつある。

このようなロボットハンドは、図１４に示すように、圧力の作用により抵抗値が減少する感圧シートによって電極（図示せず）を被覆してなる複数の感圧センサａと、これらの感圧センサａにより検出された電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断する判断手段ｂと、上記各感圧センサａおよび判断手段ｂに対し電気的に接続され、上記判断手段ｂにより得られた判断情報（センサ情報）を外部に通信によって伝達する伝達手段ｃとからなるセンサモジュールｄを備え、上記各感圧センサａおよび判断手段ｂに対し伝達手段ｃを介して電気的に接続された処理部ｅに、判断手段ｂで得た判断情報を記録する記録部ｆを設けている。また、ロボットハンドは、把持対象に対する接触方向から把持を行うための動作源となるモータｇと、このモータによる移動量を検出するモータエンコーダｈと、このモータエンコーダｈにより検出された移動量と上記処理部ｅから与えられる目標値とが合致するようにモータｇに対し制御命令を出力する駆動制御部ｉとを備えている。そして、上記処理部ｅは、駆動制御部ｉおよび外部に対し電気的に接続され、判断手段ｂからの判断情報、駆動制御部ｉからの駆動制御および外部からの命令に関する値などを全て記録部ｆに記録するようになっている。

また、このようなロボットハンドに用いられるセンサモジュールとしては、図１５および図１６に示すように、指の腹に複数の感圧センサａを配置し、その裏側に判断手段ｂとしてのＣＰＵが配置されるようにＦＰＣ基板ｊ（フレキシブルプリント基板）上に形成された小型タイプのセンサモジュールｘがある。

また、図１７ないし図１９に示すように、センサモジュールｘ上の各感圧センサａは、ＦＰＣ基板ｊ上に剥き出しに配置された２つの電極ｋ，ｍ上に、感圧ゴムｎおよびシリコンゴムｏを積層して構成されている。この場合、シリコンゴムｏは、センサーモジュールｘを実際に指先に装着した際に把持対象に対する摩擦力を大きくする上で有効なものとなる。

そして、電極ｋ−ｍ間の抵抗値は、感圧ゴムｎに加えられる圧力に対して図２０に示すように変化する。つまり、感圧ゴムｎに圧力が加えられると電極ｋ−ｍ間の抵抗値が下がるようになっていて、把持対象と接触した際の圧力によって抵抗値が減少する「圧力−抵抗特性」を有する感圧センサａを構成している。

また、図２１に示すように、ＦＰＣ基板ｊ上でのＣＰＵ（判断手段ｂ）と複数の感圧センサｘ１，ｘ２，…ｘｎとが結線されている。そして、これらの感圧センサｘ１，ｘ２，…ｘｎにより検出されたセンサ抵抗値Ｒsensorと予めＣＰＵによって定められた電圧Ｖrefと内部の抵抗Ｒrefとに基づいて、電圧値Ｖsensor（＝Ｖref＊Ｒsensor／（Ｒref＋Ｒsensor））が得られる。この場合、図２０に示す「圧力−抵抗特性」のグラフから、図２２に示すような「圧力−電圧特性」のグラフが得られ、この「圧力−電圧特性」のグラフ上における電圧値Ｖsensorが、ＣＰＵ内の回路において予め設定された電圧値Ｖth（一定の閾値）よりも高ければ非接触、低ければ接触していると判断されるようになっている。

ところで、上述の如き感圧センサｘ（ｘ１，ｘ２，…ｘｎ）では、把持対象と接触した際に複数の圧力の作用状態つまり判断手段による判断情報を得る上で、アナログ情報を用いて複数段階の値処理を行う複雑な回路構成が必要となる。

そこで、従来より、ＦＰＣ基板上に配置された電極とその上に配置される感圧導電ゴムシートとの間に、間隔を異ならせた２種類のスペーサを配置することによって、電極に対する抵抗変化率が互いに異なる２種類の感圧センサを構成し、この各感圧センサをＦＰＣ基板上においてマトリクス状に配置することで、各感圧センサにより検出された電極に対する抵抗値に基づいて２種類の圧力の作用状態を判断し、複雑な回路構成を採ることなく、単純なＣＰＵでも複数の判断情報（圧力の作用状態）が得られるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１８６０７８号公報

ところが、上記従来のものにおいても、以下に述べるような欠点を保有している。

つまり、ＦＰＣ基板上の電極と感圧導電ゴムシートとの間において間隔を異ならせたスペーサのサイズによって２種類の感圧センサとしての感圧手段をそれぞれ構成しているため、その各感圧手段により検出された互いに異なる抵抗値に基づいて圧力の作用状態を検出する２種類の感圧手段を混在させる場合に、そのＦＰＣ基板上での２種類の感圧手段の配置に規制が生じることになる。つまり、把持対象と接触した際の低い圧力の作用状態を検出する場合にはＦＰＣ基板上において低圧検出用の感圧手段の配置に広い面積が必要となるため、その中央付近での高い圧力の作用状態を検出するに当たって低圧検出用の感圧手段の中央付近に高圧検出用の感圧手段を配置することができない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、異なる圧力の作用状態を検出する複数種類の感圧手段を所望する位置に円滑に混在させて配置することができるセンサモジュールおよびこれを用いたロボットハンドを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、センサモジュールとして、圧力の作用により抵抗値が個々に減少するように抵抗変化率を異ならせた複数種の感圧シートによって電極を被覆してなる複数の感圧手段と、これらの感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断する判断手段と、この判断手段の判断情報を外部に通信によって伝達する伝達手段とを備え、上記複数の感圧手段の電極、判断手段および伝達手段を電気的に接続してモジュール化している。

この特定事項により、抵抗変化率の異なる複数種の感圧シートよりなる複数の感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態が判断されることになる。具体的には、各感圧手段により検出された電極に対する抵抗値が異なっていれば、そのそれぞれの抵抗値と、判断手段に予め定められている電圧および内部抵抗とに基づいて各感圧手段の電圧値が得られ、この各感圧手段の電圧値が、予め設定された電圧値（一定の閾値）よりも高ければ非接触、低ければ接触していると判断されることになる。つまり、判断手段により接触・非接触を判断するための一定の閾値によって、各感圧手段に対する圧力の作用状態がそれぞれ異なる圧力で判断されることになる。

これにより、複雑な回路構成を採ることなく一定の閾値で判断する単純な回路構成であっても、複数の接触情報が判断され、各感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて複数種の圧力の作用状態を判断して複数の判断情報（圧力の作用状態）を得ることが可能となる。

その場合、各感圧手段が、それぞれ抵抗変化率を異ならせた複数種の感圧シートにより電極を被覆して構成されていることにより、スペーサのサイズによって複数種の感圧手段をそれぞれ構成しているもののように、ＦＰＣ基板上においても低圧検出用の感圧手段の配置に広い面積を必要とすることなく、その中央付近に高圧検出用の感圧手段が支障なく配置される。このため、異なる圧力の作用状態を検出する複数種の感圧手段を配置するに当たって、規制されることなく所望する位置に抵抗変化率の異なる複数種の感圧手段を円滑に混在させて配置することが可能となる。

特に、感圧手段の種別を特定するものとして、以下の構成が掲げられる。

つまり、複数の感圧手段として、感圧シートへの圧力による抵抗値の減少量が大きい感圧手段を、感圧シートへの圧力による抵抗値の減少量が小さい感圧手段よりも多くするように異なる比率で適用している。

この特定事項により、圧力に対する抵抗変化率の高い感圧シートよりなる感圧手段が多く配置されている一方、圧力に対する抵抗変化率の低い感圧シートよりなる感圧手段が少なく配置されているので、センサモジュールとしては高い接触感度を優先した性格のものとなる。これにより、低圧力情報について高い面積分解能、たとえば軽量物を把持していなくとも接触しているか否かを判断するための面積分解能を必要とする制御を行うことが可能となる。

これに対し、複数の感圧手段として、感圧シートへの圧力による抵抗値の減少量が大きい感圧手段を、感圧シートへの圧力による抵抗値の減少量が小さい感圧手段よりも少なくするように異なる比率で適用している場合には、圧力に対する抵抗変化率の低い感圧シートよりなる感圧手段が多く配置されている一方、圧力に対する抵抗変化率の高い感圧シートよりなる感圧手段が少なく配置されているので、センサモジュールとしては低い接触感度を優先した性格のものとなる。これにより、高圧力情報について高い面積分解能、たとえば把持対象に加えられた外力に対して安定して把持しているか否かを判断するための面積分解能を必要とする制御を行うことが可能となる。

また、この他のセンサモジュールとして、圧力の作用により抵抗値が減少する感圧シートによって電極を被覆してなる複数の感圧手段と、これらの感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断する判断手段と、この判断手段の判断情報を外部に通信によって伝達する伝達手段と、上記複数の感圧手段の電極、判断手段および伝達手段が電気的な接続によりモジュール化されたセンサモジュールを前提とし、上記複数の感圧手段を積層配置するとともに、その積載された個々の感圧手段毎の電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を上記判断手段によって判断するようにしている。

この特定事項により、感圧シートによって電極を被覆してなる感圧手段が積層配置されているので、同じ種類の感圧シートであっても電極に対する抵抗変化率が積層方向で順に異なることになる。このため、複雑な回路構成を採ることなく一定の閾値で判断する単純な回路構成であっても、複数の接触情報が判断され、各感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて複数種の圧力の作用状態を判断して複数の判断情報（圧力の作用状態）を得ることが可能となる。

しかも、各感圧手段の積層によって、同じ種類の感圧シートであっても電極に対する抵抗変化率が積層方向で順に異なっていることにより、スペーサのサイズによって複数種の感圧手段をそれぞれ構成しているもののように、ＦＰＣ基板上においても低圧検出用の感圧手段の配置に広い面積を必要とすることなく、その中央付近に高圧検出用の感圧手段が支障なく配置される。このため、異なる圧力の作用状態を検出する複数種の感圧手段を配置するに当たって、規制されることなく所望する位置に抵抗変化率の異なる複数種の感圧手段を円滑に混在させて配置することが可能となる。

特に、このようなセンサモジュールを用いたロボットハンドとして、以下の構成が掲げられる。

つまり、圧力の作用により抵抗値が個々に減少するように抵抗変化率を異ならせた複数種の感圧シートによって電極を被覆してなる複数の感圧手段と、これらの感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断する判断手段と、上記複数の感圧手段の電極および判断手段に対し電気的に接続され、上記判断手段の判断情報を外部に通信によって伝達する伝達手段とを備えたセンサモジュール、または圧力の作用により抵抗値が減少する感圧シートによって電極を被覆してなり、それぞれが積層配置されて上記感圧シートの抵抗変化率を個々に異ならせた複数の感圧手段と、その積層されている各感圧手段毎に検出された電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断する判断手段と、上記複数の感圧手段の電極および判断手段に対し電気的に接続され、上記判断手段の判断情報を外部に通信によって伝達する伝達手段とを備えたセンサモジュールを用い、上記把持対象に対する接触方向から把持を行うための動作源となる駆動手段と、この駆動手段の移動量を検出する駆動出力値検出手段と、この駆動出力値検出手段により検出された出力値に基づいて目標値に合致するように駆動手段を制御する駆動制御手段と、上記伝達手段、駆動制御手段および外部に対し電気的に接続され、その伝達手段を介した判断手段からの判断情報、駆動制御手段からの駆動制御および外部からの命令に関する値を記録する記録手段を有し、把持対象を把持するための処理を行う処理手段とを備える。そして、上記記録手段に、各感圧手段毎にその位置情報、状態および種別を項目分けしたデータを配列してなる感圧手段テーブルを具備している。

この特定事項により、抵抗変化率の異なる複数種の感圧シートよりなる複数の感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態が判断され、判断手段により接触・非接触を判断するための一定の閾値によって、各感圧手段に対する圧力の作用状態がそれぞれ異なる圧力で判断されることになり、複雑な回路構成を採ることなく一定の閾値で判断する単純な回路構成であっても、複数の接触情報が判断され、各感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて複数種の圧力の作用状態を判断して複数の判断情報（圧力の作用状態）を得ることが可能となる。しかも、それぞれ抵抗変化率を異ならせた複数種の感圧シートにより電極を被覆して構成された各感圧手段により、低圧検出用の感圧手段の配置に広い面積を必要とすることなくその中央付近に高圧検出用の感圧手段が支障なく配置され、抵抗変化率の異なる複数種の感圧手段を規制されずに円滑に混在させて配置することが可能となる。

そして、記録手段に、各感圧手段毎にその位置情報、把持対象に対する接触または非接触などの状態、および抵抗変化率が異なる感圧シートの種別を項目分けしたデータを配列してなる感圧手段テーブルが記録されているので、感圧手段テーブルを参照することによって複数種の感圧手段毎の感度に応じてロボットハンドを精度よく制御することが可能となる。

ここで、複数の感圧手段として、把持対象に対し摩擦力が作用しない未作用状態での接触状態を判断する接触判断感圧手段と、把持対象を把持する圧力が把持対象に対し十分に作用していることを判断する把持判断感圧手段と、駆動手段に機械的破壊の危険が生じるほど圧力が把持対象に対し作用していることを判断する危険判断感圧手段とを適用し、記録手段の感圧手段テーブルに、上記接触判断感圧手段、把持判断感圧手段および危険判断感圧手段の３種の種別を項目分けして登録している場合には、感圧手段テーブルを参照することによって、簡易なセンサモジュールであっても、摩擦力の未作用状態での把持対象に対する接触状態の判断、把持対象に対する把持可能の判断、機械的破壊の危険回避の判断が行え、この３種の感圧手段毎の感度に応じてロボットハンドをより精度よく制御することが可能となる。

以上、要するに、圧力の作用による抵抗変化率を異ならせた複数種の感圧シートによって電極を被覆してなる複数の感圧手段を構成することで、判断手段により接触・非接触を判断するための一定の閾値によって各感圧手段に対する圧力の作用状態をそれぞれ異なる圧力で判断し、複雑な回路構成を採ることなく一定の閾値で判断する単純な回路構成であっても複数の接触情報を判断でき、各感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて複数種の圧力の作用状態を判断して複数の判断情報を得ることができる。しかも、低圧検出用の感圧手段の配置に広い面積を必要とすることなくその中央付近に高圧検出用の感圧手段を支障なく配置でき、抵抗変化率の異なる複数種の感圧手段を円滑に混在させて配置することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、センサモジュールをロボットハンドに用いた場合について説明する。

図１はロボットハンドの２本の指部により把持対象を把持しようとする状態を示す図であって、このロボットハンドＡの各指マニピュレータＡ１，Ａ２先端の把持部Ａ１１，Ａ１２にはそれぞれセンサモジュール１，１が取り付けられている。図２に示すように、上記各センサモジュール１は、把持対象Ｗを各指マニピュレータＡ１，Ａ２により把持する際の圧力の作用により抵抗値が個々に減少するように抵抗変化率を異ならせた３種の感圧シートとしての導電性の感圧ゴム１１（後述する）によって電極１２（後述する）を被覆してなる複数の感圧手段としての感圧センサ１３，…と、これらの感圧センサ１３，…により検出された電極１２に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断する判断手段としてのＣＰＵ１４と、このＣＰＵ１４の判断情報を外部に通信によって伝達する伝達手段としての接続端子１５とを備えている。そして、上記複数の感圧センサ１３，…の電極１２、ＣＰＵ１４および接続端子１５がハーネス（図示せず）を介した電気的な接続によりモジュール化されている。

上記各感圧センサ１３およびＣＰＵ１４に対し接続端子１５を介して電気的に接続された処理部１９には、ＣＰＵ１４で得た判断情報を記録する記録部１９ａが設けられている。また、ロボットハンドＡは、把持対象Ｗに対する接触方向から把持を行うための動作源となる駆動手段としてのモータ１６，…と、この各モータ１６による移動量を検出する駆動出力値検出手段としてのモータエンコーダ１７，…と、この各モータエンコーダ１７により検出された移動量と上記処理部１９から与えられる目標値とが合致するように各モータ１６に対し制御命令を出力する駆動制御手段としての駆動制御部１８とを備えている。そして、上記処理部１９は、駆動制御部１８および外部に対し電気的に接続され、ＣＰＵ１４からの判断情報、駆動制御部１８からの駆動制御および外部からの命令に関する値などが全て記録部１９ａで記録されるようになっている。

また、図３に示すように、感圧センサ１３としては、電極１２を３段階の圧力−抵抗比の異なる第１ないし第３感圧ゴム１１ａ，１１ｂ，１１ｃによりそれぞれ被覆してなる３種の第１ないし第３感圧センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃが適用されている。そして、図４に示すように、これらの感圧センサ１３ａ〜１３ｃは、ＦＰＣ基板１０（フレキシブルプリント基板）上にマトリックス状にほぼ均等な比率で規則的に配置されている。各感圧センサ１３ａ〜１３ｃは、ロボットハンドＡの各指マニピュレータＡ１，Ａ２先端（把持部Ａ１１，Ａ２１）の腹側に位置するようになっている。この場合、図５に示すように、上記記録部１９ａには、各感圧センサ１３ａ〜１３ｃ毎にそのＦＰＣ基板１０上での位置情報、接触または非接触状態、および種別を項目分けしたデータを配列してなる感圧センサテーブル（感圧手段テーブル）が設けられている。

そして、上記ＣＰＵ１４では、上記各感圧センサ１３ａ〜１３ｃにより検出された３種類の感圧センサ抵抗値Ｒ１sensor，Ｒ２sensor，Ｒ３sensorと、予めＣＰＵ１４によって定められた電圧Ｖrefと内部抵抗Ｒrefとに基づいて、第１感圧センサ１３ａの電圧値Ｖ１sensor（＝Ｖref＊Ｒ１sensor／（Ｒref＋Ｒ１sensor））、第２感圧センサ１３ｂの電圧値Ｖ２sensor（＝Ｖref＊Ｒ２sensor／（Ｒref＋Ｒ２sensor））、第３感圧センサ１３ｃの電圧値Ｖ３sensor（＝Ｖref＊Ｒ３sensor／（Ｒref＋Ｒ３sensor））が得られる。この場合、図６に示すような第１ないし第３感圧センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃの「圧力−抵抗特性」のグラフから、図７に示すような第１ないし第３感圧センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃの「圧力−電圧特性」のグラフが得られ、この「圧力−電圧特性」のグラフ上において、各感圧センサ１３ａ〜１３ｃの電圧値Ｖ１sensorないしＶ３sensorが、ＣＰＵ１４内の回路において予め設定された閾値電圧Ｖthよりも高ければ非接触、低ければ接触していると判断されるようになっている。

上記各感圧センサ１３ａ〜１３ｃは、その各感圧ゴム１１ａ〜１１ｃへの圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ１sensor〜Ｒ３sensorの減少量がそれぞれ段階的に異なっており、第１感圧センサ１３ａでは、第１感圧ゴム１１ａへの圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ１sensorの減少量が最も大きくなるように設定され、把持対象Ｗに対し摩擦力が作用しない未作用状態での接触状態を検出する接触判断感圧手段としての機能を有している。また、第２感圧センサ１３ｂでは、第２感圧ゴム１１ｂへの圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ２sensorの減少量が次点で大きくなるように設定され、把持対象Ｗを把持する圧力が把持対象Ｗに対し十分に作用していることを検出する把持判断感圧手段としての機能を有している。更に、第３感圧センサ１３ｃでは、第３感圧ゴム１１ｃへの圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ３sensorの減少量が最も小さくなるように設定され、後述するモータ１６に機械的破壊の危険が生じるほど圧力が把持対象Ｗに対し作用していることを検出する危険判断感圧手段としての機能を有している。

次に、ロボットハンドＡにより把持対象Ｗを把持する際の駆動制御部１８による制御の流れを図８のフローチャートに基づいて説明する。

先ず、図８のステップＳＴ１において、外部からの把持命令が処理部１９に与えられると、駆動制御部１８からの命令によって各指マニピュレータＡ１，Ａ２の把持動作を開始する。

次いで、ステップＳＴ２において、各指マニピュレータＡ１，Ａ２先端の把持部Ａ１１，Ａ２１を把持対象に接触させて、把持可能か否かをＣＰＵ１４で判断する。つまり、最初に把持対象Ｗに対し指マニピュレータＡ１，Ａ２が接触すると、図５に示す感圧センサテーブルにおいて圧力の弱い接触情報として、第１種別の感圧センサ１３ａ（ＩＤ：１００，１０３，１０６）の『状態』欄が"ＯＦＦ"から"ＯＮ"に更新される。このとき、第１種別の感圧センサ１３ａの状況を見て、把持可能か否かがＣＰＵ１４で判断される。具体的には、接触面積が十分広いか否かを判断するために、一定個数以上の第１種別の感圧センサ１３ａの『状態』欄が"ＯＮ"に更新されているか否かで判断される。また、図９の（ａ）および（ｂ）に示すように、『状態』欄が"ＯＮ"に更新されている感圧センサ１３ａに対して空間ベクトルを計算し、それぞれのベクトルの力を増幅させた場合に把持対象Ｗの重さからなる重量ベクトル以上となるか否かを計算して判断する方法もある。

それ以後、把持対象Ｗと指マニピュレータＡ１，Ａ２の接触による各感圧センサ１３ａ〜１３ｃの情報は、ＣＰＵ１４を通じて処理部１９の記録部１９ａに随時記録・更新される。

そして、上記ステップＳＴ２の判定が、把持不能であると判断されたＮＯの場合には、ステップＳＴ３で、把持可能な接触姿勢に変更するための接触姿勢補正動作を行う。具体的には、各指マニピュレータＡ１，Ａ２の指先しか接触していない場合には腹部まで接触するように接触位置をずらす動作を行う。

一方、上記ステップＳＴ２の判定が、把持可能であると判断されたＹＥＳの場合には、ステップＳＴ４において、把持のための握りこみ動作を開始した後、ステップＳＴ５で、握りこみ動作による把持が十分であるか否かの把持判断を行う。このとき、把持判断は、第２種別の感圧センサ１３ｂ（ＩＤ：１０１，１０４）の『状態』の欄が"ＯＦＦ"から"ＯＮ"に更新された状況を見て、握りこみ動作により把持可能か否かがＣＰＵ１４で判断される。具体的には、接触面積が十分広いか否かを判断するために、一定個数以上の第２種別の感圧センサ１３ｂの『状態』欄が"ＯＮ"に更新されているか否かで判断される。また、『状態』欄が"ＯＮ"に更新されている第２種別の感圧センサ１３ｂに対して空間ベクトルを計算し、それぞれのベクトルの力を増幅させた場合に把持対象Ｗの重さからなる重量ベクトル以上となるか否かを計算して判断する方法もある。

そして、上記ステップＳＴ５の判定が、把持判断において握りこみ動作による把持が十分であるＹＥＳの場合には、その状態を維持し、待機状態に移行する。

一方、上記ステップＳＴ５の判定が、把持判断において握りこみ動作による把持が不十分であるＮＯの場合には、ステップＳＴ６で、把持力を高める把持補正動作を行う。その後、ステップＳＴ７で、把持補正動作による把持が危険であるか否かの危険判断を行う。

このとき、危険判断は、第３種別の感圧センサ１３ｃ（ＩＤ：１０２，１０５）の『状態』の欄が"ＯＦＦ"から"ＯＮ"に更新された状況を見て、把持補正動作による把持が危険か否かがＣＰＵ１４で判断される。具体的には、第３種別の感圧センサ１３ｃの『状態』欄が"ＯＮ"に更新されているか否かで判断される。

そして、上記ステップＳＴ７の判定が、把持補正動作による把持が危険であるＹＥＳの場合には、ステップＳＴ８において、それ以上の把持力の向上を止める回避動作を行い、把持位置調整まで戻って、再度把持を行うか否かの命令に備えて待機状態に移行する。

したがって、上記実施例では、３段階に抵抗変化率を異ならせた第１ないし第３感圧ゴム１１ａ〜１１ｃよりなる複数の感圧センサ１３ａ〜１３ｃにより検出された電極１２に対する感圧センサ抵抗値Ｒ１sensor，Ｒ２sensor，Ｒ３sensorに基づいて把持対象Ｗに対する圧力の作用状態が判断されることになる。具体的には、各感圧センサ１３ａ〜１３ｃにより検出された電極１２に対する感圧センサ抵抗値Ｒ１sensor，Ｒ２sensor，Ｒ３sensorが異なっていれば、そのそれぞれの感圧センサ抵抗値Ｒ１sensor，Ｒ２sensor，Ｒ３sensorと、ＣＰＵ１４に予め定められている電圧Ｖrefおよび内部抵抗Ｒrefとに基づいて各感圧センサ１３ａ〜１３ｃの電圧値Ｖ１sensor〜Ｖ３sensorが得られ、この各感圧センサ１３ａ〜１３ｃの電圧値Ｖ１sensor〜Ｖ３sensorが、予め設定された閾値電圧Ｖthよりも高ければ非接触、低ければ接触していると判断されることになる。つまり、ＣＰＵ１４により接触・非接触を判断するための閾値電圧Ｖth（一定の閾値）によって、各感圧センサ１３ａ〜１３ｃに対する圧力の作用状態がそれぞれ異なる圧力で判断されることになる。

これにより、複雑な回路構成を採ることなく一定の閾値電圧Ｖthで判断する単純な回路構成であっても、複数の接触情報が判断され、各感圧センサ１３ａ〜１３ｃにより検出された電極１２に対する感圧センサ抵抗値Ｒ１sensor，Ｒ２sensor，Ｒ３sensorに基づいて３段階の圧力の作用状態を判断して３種の判断情報（圧力の作用状態）を得ることができることになる。

その場合、各感圧センサ１３ａ〜１３ｃが、それぞれ抵抗変化率を異ならせた３種の感圧ゴム１１ａ〜１１ｃにより電極１２を被覆して構成されていることにより、スペーサのサイズによって複数種の感圧手段をそれぞれ構成しているもののように、ＦＰＣ基板上においても低圧検出用の感圧手段の配置に広い面積を必要とすることなく、その中央付近に高圧検出用の感圧手段が支障なく配置される。このため、異なる圧力の作用状態を検出する３種の感圧センサ１３ａ〜１３ｃをＦＰＣ基板１０上にマトリックス状に配置するに当たって、規制されることなく所望する位置に抵抗変化率の異なる３種の感圧センサ１３ａ〜１３ｃを円滑に混在させて配置することができる。

また、処理部１９の記録部１９ａに、各感圧センサ１３ａ〜１３ｃ毎にその位置情報、把持対象に対する接触または非接触などの状態、および抵抗変化率が異なる感圧ゴム１１ａ〜１１ｃの種別を項目分けしたデータを配列してなる感圧センサテーブルが記録されているので、感圧センサテーブルを参照することによって３種の感圧センサ１３ａ〜１３ｃ毎の感度に応じてロボットハンドＡを精度よく制御することができる。

更に、第１ないし第３感圧センサ１３ａ〜１３ｃは、接触判断感圧手段、把持判断感圧手段、危険判断感圧手段としての機能を個々に有しているので、感圧センサテーブルを参照することによって、簡易なセンサモジュールであっても、摩擦力の未作用状態での把持対象に対する接触状態の判断、把持対象に対する把持可能の判断、機械的破壊の危険回避の判断が行え、この３種の感圧センサ１３ａ〜１３ｃ毎の感度に応じてロボットハンドＡをより精度よく制御する上で非常に有利なものとなる。

なお、上記実施例１では、第１ないし第３感圧センサ１３ａ〜１３ｃをＦＰＣ基板１０上にほぼ均等な比率で配置したが、図１０に示すように、第１感圧ゴム１１ａへの圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ１sensorの減少量が大きい第１感圧センサ１３ａが、第３感圧ゴム１１ｃへの圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ３sensorの減少量が小さい第３感圧センサ１３ｃよりも多くなるような異なる比率で各感圧センサ１３ａ〜１３ｃがそれぞれＦＰＣ基板１０上においてマトリックス状に配置されていてもよい。この場合には、圧力に対する抵抗変化率の高い感圧ゴム１１ａよりなる感圧センサ１３ａが多く配置されている一方、圧力に対する抵抗変化率の低い感圧ゴム１１ｃよりなる感圧センサ１３ｃが少なく配置されているので、センサモジュールとしては高い接触感度を優先した性格のものとなる。これにより、低圧力情報について高い面積分解能、たとえば軽量の把持対象を把持していなくとも接触しているか否かを判断するための面積分解能を必要とする制御を行うことができることになる。

これに対し、図１１に示すように、第１感圧ゴム１１ａへの圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ１sensorの減少量が大きい感圧センサ１３ａが、感圧ゴム１１ｃへの圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ３sensorの減少量が小さい感圧センサ１３ｃよりも少なくなるような異なる比率で各感圧センサ１３ａ〜１３ｃがそれぞれＦＰＣ基板１０上においてマトリックス状に配置されていてもよい。この場合には、圧力に対する抵抗変化率の低い感圧ゴム１１ｃよりなる感圧センサ１３ｃが多く配置されている一方、圧力に対する抵抗変化率の高い感圧ゴム１１ａよりなる感圧センサ１３ａが少なく配置されているので、センサモジュールとしては低い接触感度を優先した性格のものとなる。これにより、高圧力情報について高い面積分解能、たとえば把持対象に加えられた外力に対して安定して把持しているか否かを判断するための面積分解能を必要とする制御を行うことができることになる。

次に、本発明の実施例２を図１２および図１３に基づいて説明する。

この実施例では、センサモジュールの構成を変更している。なお、センサモジュールを除くその他の構成は、上記実施例１の場合と同じであり、同一の部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

すなわち、本実施例では、図１２および図１３に示すように、圧力の作用により抵抗値が減少する感圧シートとしての感圧ゴム２１によって電極２２を被覆してなり、それぞれがＦＰＣ基板２０上に順次積層配置されて上記感圧ゴム２１の抵抗変化率を個々に異ならせた複数の感圧センサ２３と、その積層されている各感圧センサ２３毎に検出された電極２２に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断する判断手段としてのＣＰＵ（図示せず）と、上記積層された複数の感圧センサ２３の電極２２およびＣＰＵに対しハーネス（図示せず）を介して電気的に接続され、上記ＣＰＵ２４の判断情報を外部に通信によって伝達する伝達手段としての接続端子（図示せず）とを備えたセンサモジュール２を構成している。

また、上記各感圧センサ２３は、同一種類の感圧ゴム２１によって電極２２を被覆してなり、積層によって３段階の圧力−抵抗比の異なる第１ないし第３種別の第１ないし第３感圧センサ２３ａ，２３ｂ，２３ｃを構成している。そして、上記各感圧センサ２３ａ〜２３ｃは、積層によって各層の感圧ゴム２１への圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ１sensor〜Ｒ３sensorの減少量がそれぞれ段階的に異なっており、最下層に位置する第１感圧センサ２３ａでは、感圧ゴム２１への圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ１sensorの減少量が最も大きくなるように設定され、把持対象Ｗに対し摩擦力が作用しない未作用状態での接触状態を検出する接触判断感圧手段としての機能を有している。また、中間層に位置する第２感圧センサ２３ｂでは、感圧ゴム２１への圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ２sensorの減少量が次点で大きくなるように設定され、把持対象Ｗを把持する圧力が把持対象Ｗに対し十分に作用していることを検出する把持判断感圧手段としての機能を有している。更に、最上層に位置する第３感圧センサ２３ｃでは、感圧ゴム２１への圧力による感圧センサ抵抗値Ｒ３sensorの減少量が最も小さくなるように設定され、モータ１６に機械的破壊の危険が生じるほど圧力が把持対象Ｗに対し作用していることを検出する危険判断感圧手段としての機能を有している。上記最下層の第１感圧センサ２３ａの電極２２は、ＦＰＣ基板２０上におけるＦＰＣ非コーティング部（図１３に白抜き円で示す）に配置されている。この場合、電極２２に対する最上層の第３感圧センサ２３ｃの抵抗値、電極２２に対する中層の第２感圧センサ２３ｂの抵抗値、電極２２に対する最下層の第１感圧センサ２３ａの抵抗値の比率は、ほぼ１：２：３となる。

なお、最上層の第３感圧センサ２３ｃの感圧ゴム２１の上面は、シリコンゴム２７によって被覆され、センサーモジュール２を実際にロボットハンドＡの各指マニピュレータＡ１，Ａ２の指先に装着した際に把持対象Ｗに対する摩擦力が大きく確保されるようになっている。

したがって、上記実施例では、感圧ゴム２１によって電極２２を被覆してなる３つの感圧センサ２３ａ〜２３ｃが下から順に積層配置されているので、同じ種類の感圧ゴム２１であっても電極２２に対する抵抗変化率が積層方向で順に異なることになる。このため、複雑な回路構成を採ることなく一定の閾値電圧で判断する単純な回路構成であっても、複数の接触情報が判断され、各感圧センサ２３ａ〜２３ｃにより検出された電極２２に対する感圧センサ抵抗値に基づいて３種の圧力の作用状態を判断して複数の判断情報（圧力の作用状態）を得ることができる。

しかも、各感圧センサ２３ａ〜２３ｃの積層によって、同じ種類の感圧ゴム２１であっても電極２２に対する抵抗変化率が積層方向で順に異なっていることにより、スペーサのサイズによって複数種の感圧手段をそれぞれ構成しているもののように、ＦＰＣ基板上においても低圧検出用の感圧手段の配置に広い面積を必要とすることなく、その中央付近に高圧検出用の感圧手段が支障なく配置される。このため、異なる圧力の作用状態を検出する複数種の感圧センサ２３ａ〜２３ｃを配置するに当たって、規制されることなく所望する位置に抵抗変化率の異なる３種の感圧センサ２３ａ〜２３ｃを円滑に混在させて配置することができる。

本発明の実施例１に係わるセンサモジュールを用いたロボットハンドの指マニピュレータの平面図である。 同じくロボットハンドの構成を示すブロック構成図である。 同じく第１ないし第３感圧センサが順に隣り合うようにセンサモジュールを切断した断面図である。 同じくセンサモジュールの展開図である。 同じく記録部に収容されているセンサテーブルの説明図である。 同じく圧力に対する各感圧センサの抵抗値の特性を示す特性図である。 同じく圧力に対する感圧センサ抵抗値の特性を示す特性図である。 同じくロボットハンドにより把持対象を把持する際の駆動制御部による制御の流れを示すフローチャート図である。 （ａ）は同じく指マニピュレータによる把持対象を把持した状態を示す斜視図、（ｂ）は把持対象を把持した状態での感圧センサによるベクトルイメージを説明する説明図である。 実施例１の変形例に係わるセンサモジュールの展開図である。 実施例１のその他の変形例に係わるセンサモジュールの展開図である。 本発明の実施例２に係わるセンサモジュールを感圧センサ付近で切断した断面図である。 同じく感圧センサを分解した分解斜視図である。 従来例に係わるロボットハンドの構成を示すブロック構成図である。 同じくセンサモジュールを用いたロボットハンドの指マニピュレータの平面図である。 同じくセンサモジュールの展開図である。 同じくＦＰＣ基板上の電極を示す平面図である。 同じくセンサモジュールを感圧センサ付近で切断した断面図である。 同じく感圧センサを分解した分解斜視図である。 同じく圧力に対する電極間の抵抗値の特性を示す特性図である。 同じくセンサモジュールの結線図である。 同じく圧力に対するセンサ抵抗値の特性を示す特性図である。

符号の説明

１ センサモジュール
１１ａ〜１１ｃ 感圧ゴム（感圧シート）
１２ 電極
１３ａ 第１感圧センサ（感圧手段、接触判断感圧手段）
１３ｂ 第２感圧センサ（感圧手段、把持判断感圧手段）
１３ｃ 第３感圧センサ（感圧手段、危険判断感圧手段）
１４ ＣＰＵ（判断手段）
１５ 接続端子（伝達手段）
１６ モータ（駆動手段）
１７ モータエンコーダ（駆動出力値検出手段）
１８ 駆動制御部（駆動制御手段）
１９ 処理部（処理手段）
１９ａ 記憶部（記憶手段）
２ センサモジュール
２１ 感圧ゴム（感圧シート）
２２ 電極
２３ａ 第１感圧センサ（感圧手段、接触判断感圧手段）
２３ｂ 第２感圧センサ（感圧手段、把持判断感圧手段）
２３ｃ 第３感圧センサ（感圧手段、危険判断感圧手段）

Claims (6)

1. 圧力の作用により抵抗値が個々に減少するように抵抗変化率を異ならせた複数種の感圧シートによって電極を被覆してなる複数の感圧手段と、
   これらの感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断する判断手段と、
   この判断手段の判断情報を外部に通信によって伝達する伝達手段とを備え、
   上記複数の感圧手段の電極、判断手段および伝達手段が電気的な接続によりモジュール化されていることを特徴とするセンサモジュール。
2. 上記請求項１に記載のセンサモジュールにおいて、
   複数の感圧手段としては、感圧シートへの圧力による抵抗値の減少量が大きい感圧手段が、感圧シートへの圧力による抵抗値の減少量が小さい感圧手段よりも多くなるような異なる比率で適用されていることを特徴とするセンサモジュール。
3. 上記請求項１に記載のセンサモジュールにおいて、
   複数の感圧手段としては、感圧シートへの圧力による抵抗値の減少量が大きい感圧手段が、感圧シートへの圧力による抵抗値の減少量が小さい感圧手段よりも少なくなるような異なる比率で適用されていることを特徴とするセンサモジュール。
4. 圧力の作用により抵抗値が減少する感圧シートによって電極を被覆してなる複数の感圧手段と、
   これらの感圧手段により検出された電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断する判断手段と、
   この判断手段の判断情報を外部に通信によって伝達する伝達手段と、
   上記複数の感圧手段の電極、判断手段および伝達手段が電気的な接続によりモジュール化されたセンサモジュールにおいて、
   上記複数の感圧手段は、積層配置されており、
   上記判断手段は、その積載された個々の感圧手段毎の電極に対する抵抗値に基づいて圧力の作用状態を判断するようになされていることを特徴とするセンサモジュール。
5. 上記請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載のセンサーモジュールを用い、
   把持対象に対する接触方向から把持を行うための動作源となる駆動手段と、
   この駆動手段の移動量を検出する駆動出力値検出手段と、
   この駆動出力値検出手段により検出された出力値に基づいて目標値に合致するように駆動手段を制御する駆動制御手段と、
   伝達手段、駆動制御手段および外部に対し電気的に接続され、その伝達手段を介した判断手段からの判断情報、駆動制御手段からの駆動制御および外部からの命令に関する値を記録する記録手段を有し、把持対象を把持するための処理を行う処理手段とを備えており、
   上記記録手段には、各感圧手段毎にその位置情報、状態および種別を項目分けしたデータを配列してなる感圧手段テーブルを具備していることを特徴とするロボットハンド。
6. 上記請求項５に記載のロボットハンドにおいて、
   複数の感圧手段は、
   把持対象に対し摩擦力が作用しない未作用状態での接触状態を判断する接触判断感圧手段と、
   把持対象を把持する圧力が把持対象に対し十分に作用していることを判断する把持判断感圧手段と、
   駆動手段に機械的破壊の危険が生じるほど圧力が把持対象に対し作用していることを判断する危険判断感圧手段とを備え、
   記録手段の感圧手段テーブルの種別としては、上記接触判断感圧手段、把持判断感圧手段および危険判断感圧手段が適用され、これら３種が項目分けして登録されていることを特徴とするロボットハンド。

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