JP2007010383A - 柔軟触覚センサとその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロボットの腕等の曲面に合わせて容易に設置でき、多数の触覚センサを配列する場合でも、電源ラインや信号ラインの形成が容易にでき、感圧部以外の箇所に作用する力も検出することができる柔軟触覚センサとその製作方法を提供する。
【解決手段】 平面又は曲面の対象面１に沿って湾曲可能な回路を有するフレキシブル基板１２と、フレキシブル基板上に互いに間隔を隔てて実装され表面に感圧面１４ａを有する複数の感圧素子１４と、各感圧面に下面１６ａがそれぞれ密着し対象面１から離れる方向に突出した外表面１６ａを有する複数の受圧突起部材１６と、複数の受圧突起部材の外表面に下面１８ａが密着し、対象面１に沿って延びる外面１８ｂを有する弾性シート部材１８とを備える。弾性シート部材１８は、感圧面より広い領域から外面に作用する力を感圧面に伝達する逆截頭錐体形の圧力伝播部１９を有する。また、受圧突起部材１６は、圧力伝播部１９よりも硬い素材からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロボットの腕等の曲面に合わせて設置し、感圧部以外の箇所に作用する力も検出することができる柔軟触覚センサとその製作方法に関する。

例えば、ロボットが人を抱きかかえる場合のように、ロボットが人や物と直接接触して力学的相互作用を行う場合に、ロボットと人や物との接触状態を知るセンサが必要となる。以下、かかるセンサを「触覚センサ」と呼ぶ。
このような触覚センサを用いることにより、例えば、人がある曲面を触った位置と力により情報を入力できるマンマシンインターフェースや、座ったり、棒をつかんだりなど、人間が曲面に接触するときにかかっている力を計測するなど、多くの応用が可能である。

上述した触覚センサとして、既に特許文献１、２が提案されている。
特許文献１の触覚センサは、図１０に示すように、軟質基体５０にビーム５１が形成され、このビーム５１上に突起部５２およびストレインゲージ５３が配設されてなるものである。

また、特許文献２の触覚センサは、図１１に示すように、感圧素子６２、第１層弾性体６３、第２層弾性体６４、および第３層弾性体６５を備え、第３層弾性体６５が第２層弾性体６４よりも高い硬度の弾性体であり、第３層弾性体６５が感圧素子の圧力検出部位から外表面に向かって末広がり形状に設けられているものである。
この触覚センサは、硬い弾性体と柔らかい弾性体の組み合わせにより、感圧部分に応力を集中させ、感度を高めることが可能である。

特開平７−５５５９８号公報、「触覚センサおよび触覚イメージャー」 特開２００５−３６４９号公報、「触覚センサ」

上述した特許文献１の触覚センサは、感圧部、すなわち突起部以外の箇所に作用する力が検出できない問題点がある。またロボットの腕等の曲面に合わせて使用する場合、軟質基体１を曲面に合わせて変形させる必要があり、この変形でストレインゲージも変形するため、特性が変化してしまう問題点がある。

また、特許文献２の触覚センサは、感圧部以外の箇所に作用する力も検出できるが、曲面部に設けるのが困難であった。
すなわち、この触覚センサは、複数の弾性体が積層されているため、全体を曲面に合わせて変形させると、間に隙間ができて特性が変化する問題点があった。また、触覚センサを変形させるためには力が必要であるが、この力を保ったまま曲面に設置することが難しかった。
そのため、曲面部に設ける場合、従来は、センサの形状に合わせて硬めの弾性体と柔らかめの弾性体のための型を用意し、流体を流し込んで硬化させ弾性体としていたため、製作に手間がかかり、コストも高い問題点があった。

さらに従来は、平面部や曲面部に多数の触覚センサを配列した場合、各触覚センサの電源ラインや信号ラインの形成に時間と手間がかかる問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ロボットの腕等の曲面に合わせて容易に設置でき、多数の触覚センサを配列する場合でも、電源ラインや信号ラインの形成が容易にでき、感圧部以外の箇所に作用する力も検出することができる柔軟触覚センサとその製作方法を提供することにある。

本発明によれば、平面又は曲面の対象面に沿って湾曲可能な回路を有するフレキシブル基板と、
該フレキシブル基板上に互いに間隔を隔てて実装され表面に感圧面を有する複数の感圧素子と、
前記各感圧面に下面がそれぞれ密着し、前記対象面から離れる方向に突出した外表面を有する複数の受圧突起部材と、
該複数の受圧突起部材の外表面に下面が密着し、前記対象面に沿って延びる外面を有する弾性シート部材と、を備え、
該弾性シート部材は、感圧面より広い領域から外面に作用する力を感圧面に伝達する逆截頭錐体形の圧力伝播部を有し、
前記受圧突起部材は、該圧力伝播部よりも硬い素材からなる、ことを特徴とする柔軟触覚センサが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記フレキシブル基板と弾性シート部材の間に位置し、前記感圧素子間の弾性シート部材を支持する中間支持部材を備える。

また本発明によれば、湾曲可能な回路上に複数の感圧素子を互いに間隔を隔てて実装したフレキシブル基板を準備するフレキシブル基板準備ステップと、
前記フレキシブル基板を平面又は曲面の対象面に沿って取り付けるフレキシブル基板取付ステップと、
前記対象面から離れる方向に突出した外表面を有する複数の受圧突起部材の下面を各感圧面にそれぞれ密着して取り付ける受圧突起部材取付ステップと、
弾性シート部材をその下面が複数の受圧突起部材の外表面に密着し、外面が前記対象面に沿って延びるように取り付ける弾性シート部材取付ステップと、を有し、
該弾性シート部材は、感圧面より広い領域から外面に作用する力を感圧面に伝達する逆截頭錐体形の圧力伝播部を有する、ことを特徴とする柔軟触覚センサの製作方法が提供される。

前記圧力伝播部は、弾性シート部材取付ステップにおいて、硬い素材からなる受圧突起部材に弾性シート部材を押付けて部分的に変形させて形成する、ことが好ましい。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記弾性シート部材取付ステップの前に、前記フレキシブル基板上の感圧素子の感圧面とほぼ同一面となるように、感圧素子を除くフレキシブル基板の表面に中間支持部材を取り付ける中間支持部材取付ステップを有する。

上記本発明の装置及び方法によれば、フレキシブル基板が平面又は曲面の対象面に沿って湾曲可能な回路を有し、この回路上に複数の感圧素子が互いに間隔を隔てて実装されているので、フレキシブル基板を平面又は曲面の対象面に沿って容易に取り付けることができる。

また、フレキシブル基板の上に積層して取り付ける弾性シート部材も湾曲可能であるため、柔軟触覚センサ全体をロボットの腕等の曲面に合わせて容易に設置することができる。

さらに、複数の感圧素子は、フレキシブル基板上に互いに間隔を隔てて実装されているので、多数の触覚センサを配列する場合でも、フレキシブル基板上の電源ラインや信号ラインの形成が容易にできる。

また、弾性シート部材が逆截頭錐体形の圧力伝播部を有するので、感圧部以外の弾性シート部材の感圧面より広い領域に作用する力も検出することができる。

また、特に、圧力伝播部は、弾性シート部材取付ステップにおいて、硬い素材からなる受圧突起部材に弾性シート部材を押付けて部分的に変形させて形成することができるので、製作が容易であり、かつ表面に作用する力を感圧素子の感圧面に集中させることが可能となり感度を高めることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の柔軟触覚センサの第１実施形態図である。
この図において、本発明の柔軟触覚センサ１０は、フレキシブル基板１２、複数の感圧素子１４、複数の受圧突起部材１６、及び弾性シート部材１８からなる。
このセンサを取り付ける対象面１は、平面又は曲面であり、例えばロボットの腕等の外周面である。しかし、本発明はこれに限定されず、平面、球面、凹面、その他の自由曲面であってもよい。

フレキシブル基板１２は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）であり、平面又は曲面の対象面１に沿って湾曲可能な回路と素子を有する。
複数の感圧素子１４は、フレキシブル基板１２の上に互いに間隔を隔てて実装されている。感圧素子１４は円形、矩形、その他の形状であってもよい。
さらに感圧素子１４は、その表面に好ましくは平面状の感圧面１４ａを有する。感圧面１４ａの形状は、円形、矩形、その他の形状であってもよい。

図１において、受圧突起部材１６は、圧力伝播部１９よりも硬い素材（例えば硬質ゴム）からなる。受圧突起部材１６のヤング率は例えば２０〜４０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度であるのがよい。
受圧突起部材１６の下面１６ａは、感圧素子１４の平面状の感圧面１４ａに密着している。
また受圧突起部材１６は、対象面１から離れる方向（この図で上方）に突出した外表面１６ｂを有する。外表面１６ｂは、半球面状であるのが好ましいが、その他の形状、例えば直方体、ピラミッド型、截頭錐体であってもよい。
この構成により外部から外表面１６ｂに伝達された力を下面１６ａに伝達し、下面１６ａと密着する感圧素子１４の平面状の感圧面１４ａに伝達することができる。

弾性シート部材１８は、弾性のあるシート材（例えばスポンジシート）であり、その下面１８ａが複数の受圧突起部材１６の外表面１６ｂに密着し、外面１８ｂが対象面１に沿って延びる。弾性シート部材１８は、受圧突起部材１６よりも柔らかく、ヤング率は例えば２〜１０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度であるのがよい。
またこの弾性シート部材１８は、逆截頭錐体形の圧力伝播部１９を有し、感圧面１４ａより広い領域から外面に作用する力を感圧面１４ａに伝達するようになっている。

なお、弾性シート部材１８として厚さが一定の弾塑性材を用い、受圧突起部材１６に弾性シート部材１８を押付けて部分的に変形させ、図に示す圧力伝播部１９を形成するのが好ましい。

中間支持部材２０は、フレキシブル基板１２と可撓性弾性部材の間に位置し、感圧素子１４の間の凹部を塞ぎ、弾性シート部材１８を支持してその撓みを防止する。中間支持部材２０は、使用時に弾性を必要としないため、パテや紙粘土を用いることができる。また、曲面部への取り付けが容易なように、可撓性があるシート材（例えばゴムシート、スポンジシート）に感圧素子用の開口を設けたものを用いてもよい。

図２は、本発明の柔軟触覚センサの第２実施形態図である。
この例において、感圧素子１４は薄い円板形状であり、フレキシブル基板１２に実質的に同一厚さで実装されている。従って、この構成では、中間支持部材２０は不要である。
また、弾性シート部材１８は、予め下面１８ａが逆截頭錐体形に形成されている。この逆截頭錐体形は、逆截頭円錐形、逆截頭四角錐形、その他であってもよい。また弾性シート部材１８の表面側は連続しており、外面１８ｂが対象面１に沿って延びている。
この弾性シート部材１８は、比較的弾性率の高い材料、例えばヤング率が１０〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の軟質ゴム又は硬質ゴムからなるのが好ましい。その他の構成は、図１と同様である。

図３は、感圧素子１４の一例であり、４つのブリッジ抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を有するブリッジ回路を備える。ブリッジ回路の端子１、３間に一定の電圧を印加し、端子２、４間の電圧変化を外部端子５、６により計測する。この構成により、ブリッジ抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のうち少なくとも１つが圧力変化に応じて抵抗が変化するように感圧素子１４を構成することにより、外部端子５、６間の電圧変化から圧力変化を検出することができる。なおブリッジ抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４として歪みゲージを用いることもできる。

また、この図において、端子４、５を省略し、端子１、３又はアースに対する外部端子６の電圧のみを検出しても、ブリッジ抵抗Ｒ１，Ｒ２のうち少なくとも１つの抵抗変化から圧力変化を検出することができる。

図４は、フレキシブル基板１２の実施例である。この例では、４×４（１６個）の感圧素子１４が、同一のフレキシブル基板１２の上に互いに同一の間隔（例えば１０ｍｍ）を隔てて実装されている。この間隔は、フレキシブル基板１２に配線やその他の素子を実装できる限りで自由に設定できる。
また、この例において、フレキシブル基板１２の配線は、図示しないコネクタまで、櫛型状（図で中央の横配線部と４列の縦配線部からなる）に配置されている。

図５は、フレキシブル基板１２の別の実施例である。この例では、８×８（６４個）の感圧素子１４を実装し、各感圧素子１４とコネクタ１５を結ぶ配線箇所を残し、全体を櫛型状に形成している。

図６は、図５のフレキシブル基板の取付状態を示す図であり、フレキシブル基板１２を半球面の対象面１に取付けた状態を示している。このように、対象面１が半球面であってもフレキシブル基板１２を対象面１に容易に取り付けることができる。

図７は、本発明による柔軟触覚センサの製作方法を示すフローチャートである。この図に示すように、本発明の製作方法は、フレキシブル基板準備ステップＳ１、フレキシブル基板取付ステップＳ２、受圧突起部材取付ステップＳ３、中間支持部材取付ステップＳ４、及び弾性シート部材取付ステップＳ５の各ステップを有する。

フレキシブル基板準備ステップＳ１では、湾曲可能な回路上に複数の感圧素子１４を互いに間隔を隔てて実装したフレキシブル基板１２を準備する。この準備は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）を製作する周知の方法による。
フレキシブル基板取付ステップＳ２では、フレキシブル基板１２を平面又は曲面の対象面１に沿って、例えば接着剤を用いて、取り付ける。

受圧突起部材取付ステップＳ３では、対象面１から離れる方向に突出した外表面を有する複数の受圧突起部材１６の下面を感圧素子１４の感圧面１４ａに、例えば接着剤を用いて、それぞれ密着して取り付ける。
なお、このステップＳ３は、ステップＳ１の後、或いはステップＳ４の後で行なってもよい。

中間支持部材取付ステップＳ４では、弾性シート部材取付ステップＳ５の前に、フレキシブル基板１２上の感圧素子１４の感圧面１４ａとほぼ同一面となるように、感圧素子１４を除くフレキシブル基板１２の表面に中間支持部材２０、例えばパテや紙粘土を取り付ける。
なお、このステップＳ４は、図２の第２実施形態のように、感圧素子１４が薄く、フレキシブル基板１２に実質的に同一厚さで実装されている場合には省略することができる。

弾性シート部材取付ステップＳ５では、弾性シート部材１８をその下面１８ａが複数の受圧突起部材１６の外表面に密着し、外面１８ｂが対象面１に沿って延びるように取り付ける。

弾性シート部材１８は、感圧面１４ａより広い領域から外面１８ｂに作用する力を感圧面１４ａに伝達する逆截頭錐体形の圧力伝播部１９を有する。
この圧力伝播部１９は、弾性シート部材取付ステップＳ５において、硬い素材からなる受圧突起部材１６に弾性シート部材１８を押付けて部分的に変形させて形成するのが好ましいが、図２の第２実施形態のように、予め下面１８ａを逆截頭錐体形に形成してもよい。

以下、本発明の実施例を説明する。
図１に示した柔軟触覚センサ１０を以下の製作手順で製作した。

（１） 感圧素子１２の感圧部１２ａに突起（受圧突起部材１４）を配置する。例えば、チューブに入った液体ゴムを少量感圧部１２ａに搾り出し硬化させることで、容易に突起を製作することができる。

（２） 本発明の触覚センサ１０を貼り付ける面上に感圧素子１２を配置する。感圧素子を面上に容易に配置し、また素子を駆動するための回路も同時に用意するために、図４に示すようにフレキ基板上に回路と素子を配置したＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を製作し、対象面１に接着する。
対象面１が曲面の場合には、ＦＰＣを巻き付ける形となる。ＦＰＣが図４のように四角形の場合には、巻き付けられる面は円筒などの平面展開図が描ける面だけだが、図５のように形状を工夫することにより、球面のように平面の展開図が描けない面（自由曲面）にも巻き付けることができる。

（３） 感圧素子１２に厚みがある場合には、感圧素子１２の間に空間ができてしまう。この場合、（４）で弾性シート部材１８を密着させる際に不都合が生じるので、感圧素子１２の間の空間を埋める。材料としてパテや紙粘土のように成形可能だが流れ出さず、硬化するものを用いることにより、曲面上でも型を用いずに間を埋めることができる。

（４）（３）で製作した部分の上に、柔らかい弾性シート部材１８を密着させる（図６）。ここではスポンジシートを使用した。密着させるためには、図３のように曲面が凸形状の場合にはシートの各端を引張りながら固定する。凹形状の場合などの場合には、（３）で空間を埋めた材料の表面と接着剤で接着する。なお、弾性シート部材１８は、曲面が平面に展開可能な面の場合には、容易に入手可能な平面シートが使える。平面に展開不可能な自由曲面の場合には、曲面の形状に合わせてシートを製作する必要がある。

圧力伝播部１９は、感圧素子１２の感圧部１２ａに硬めの材料で突起状の小さな塊（受圧突起部材１６）を配置し、その上を弾性シート部材１８で覆い、感圧素子１２と弾性シート部材１８を密着させることで、突起部分がシートに食い込み、シートの突起周辺部分が圧縮され、シートの他の部分に比べて硬くなる。このようにしてシートの硬さに部分による違いが生じた結果、表面にかかった圧力を感圧素子の感圧部分に集中させることが可能となる。

上述した方法により、図８（Ａ）に示す３種（Ａ，Ｂ，Ｃタイプ）の触覚センサを製作した。この３種の触覚センサは、同一の市販の感圧素子を使用した。この感圧素子は、直径５．８ｍｍ、高さ２．５ｍｍの円筒形であり、感圧面が約０．５ｍｍ凹んだ位置にあるものである。

本発明の触覚センサ（タイプＡ）は、受圧突起部材１６を有する図１に示したものである。なお、この図では、弾性シート部材の表示を省略している。
比較例の２種類は、感圧部に何も付けないもの（タイプＣ：凹み：使用した感圧素子の感圧部が少し凹んでいるため、シートと感圧部との間に隙間ができる）と、感圧部がシートと密着するように弾性体を付け加え、感圧部の凹みを埋め平らにしたもの（タイプＢ：面一）を用意した。

上述した各感圧素子１４の表面に厚さ５ｍｍのスポンジシート（弾性シート部材１６）をカバーとして用いた。突起１６はチューブに入った液体ゴムを搾り出し、硬化させることで製作した。突起１６の高さは約１．５ｍｍだった。

触覚センサの表面に力を加えた時の感圧素子の出力（電圧）を計測した。力は直径８ｍｍの円で掛け、値はデジタルフォースゲージで測定した。結果を図８（Ｂ）に示す。本発明の触覚センサ（タイプＡ）は、感圧部に何も付けていない２種類の比較例（タイプＢ，Ｃ）に比べ、感度が２倍以上になっていることがわかる。

本発明の触覚センサの感圧素子間に力が作用した場合の補間能力を調べるため、円錐状形状（先端の角度７０度）の先端を持つロッドで図９（Ａ）に示す１〜５の点に集中力を作用させた。測定対象のセンサと隣接センサの間隔は、１８ｍｍであった。

まず、上述した本発明の触覚センサ（タイプＡ）について、厚さ５ｍｍのスポンジシートをかぶせて触覚センサの完成形状とし、真上から隣の素子まで段階的に離れていく位置１〜５（図９Ａ）について、円錐状形状ロッドの先端を付けて力を加え、力と触覚センサ出力を記録した。

この結果を図９（Ｂ）に示す、この図から、タイプＡでは真上から離れるにつれて出力が弱くなるものの、隣の素子の位置で加えた力まで検出しており、感圧素子間で受容野が重なり合っているのがわかる。

次に、比較のため、上述したタイプＢについても上と同様に真上から隣の素子まで段階的に離れていく位置１〜５について力と触覚センサ出力を記録した。上述したでは位置１（真上）についてだけ出力が記録された（図９Ｃ）が、そこからずれた位置２〜５では、出力はゼロのままだった。
これにより、本発明の柔軟触覚センサでは、感圧部以外の箇所に作用する力も検出することができ、中間部分の補完についても有効であることが確認された。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の柔軟触覚センサの第１実施形態図である。 本発明の柔軟触覚センサの第２実施形態図である。 本発明の感圧素子の構成例である。 本発明のフレキシブル基板の実施例である。 本発明のフレキシブル基板の別の実施例である。 図５のフレキシブル基板の取付状態を示す図である。 本発明の製作方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例によるセンサ出力の従来例との比較図である。 本発明の実施例によるセンサ出力の加圧位置との関係図である。 特許文献１の触覚センサの模式図である。 特許文献２の触覚センサの模式図である。

符号の説明

１ 対象面（平面又は曲面）、
１０ 柔軟触覚センサ、１２ フレキシブル基板、
１４ 感圧素子、１４ａ 感圧面、
１６ 受圧突起部材（突起）、１６ａ 下面、１６ｂ 外表面、
１８ 弾性シート部材、１８ａ 下面、１８ｂ 外面、
１９ 圧力伝播部、２０ 中間支持部材

Claims (5)

1. 平面又は曲面の対象面に沿って湾曲可能な回路を有するフレキシブル基板と、
   該フレキシブル基板上に互いに間隔を隔てて実装され表面に感圧面を有する複数の感圧素子と、
   前記各感圧面に下面がそれぞれ密着し、前記対象面から離れる方向に突出した外表面を有する複数の受圧突起部材と、
   該複数の受圧突起部材の外表面に下面が密着し、前記対象面に沿って延びる外面を有する弾性シート部材と、を備え、
   該弾性シート部材は、感圧面より広い領域から外面に作用する力を感圧面に伝達する逆截頭錐体形の圧力伝播部を有し、
   前記受圧突起部材は、該圧力伝播部よりも硬い素材からなる、ことを特徴とする柔軟触覚センサ。
2. 前記フレキシブル基板と弾性シート部材の間に位置し、前記感圧素子間の弾性シート部材を支持する中間支持部材を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の柔軟触覚センサ。
3. 湾曲可能な回路上に複数の感圧素子を互いに間隔を隔てて実装したフレキシブル基板を準備するフレキシブル基板準備ステップと、
   前記フレキシブル基板を平面又は曲面の対象面に沿って取り付けるフレキシブル基板取付ステップと、
   前記対象面から離れる方向に突出した外表面を有する複数の受圧突起部材の下面を各感圧面にそれぞれ密着して取り付ける受圧突起部材取付ステップと、
   弾性シート部材をその下面が複数の受圧突起部材の外表面に密着し、外面が前記対象面に沿って延びるように取り付ける弾性シート部材取付ステップと、を有し、
   該弾性シート部材は、感圧面より広い領域から外面に作用する力を感圧面に伝達する逆截頭錐体形の圧力伝播部を有する、ことを特徴とする柔軟触覚センサの製作方法。
4. 前記圧力伝播部は、弾性シート部材取付ステップにおいて、硬い素材からなる受圧突起部材に弾性シート部材を押付けて部分的に変形させて形成する、ことを特徴とする請求項３に記載の柔軟触覚センサの製作方法。
5. 前記弾性シート部材取付ステップの前に、前記フレキシブル基板上の感圧素子の感圧面とほぼ同一面となるように、感圧素子を除くフレキシブル基板の表面に中間支持部材を取り付ける中間支持部材取付ステップを有する、ことを特徴とする請求項３に記載の柔軟触覚センサの製作方法。
   

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