JP2007187502A - 柔軟接触型荷重測定センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出部の構造が簡単でかつ消費電力が少ないうえに、接触体との接触時に柔軟変形すると同時に接触体から物体表面に作用する接触荷重の大きさ及びその荷重方向を迅速に検出可能な柔軟接触型荷重測定センサを提供する。
【解決手段】接触体側に配置される弾性体からなる層と、物体側に配置される荷重測定層とを具備し、該荷重測定層は、可撓性を有する弾性体側の基板と、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板とからなり、接触体から物体に作用する接触荷重に応じてオン状態となるマイクロスイッチの位置に基づいて、接触荷重の大きさ及びその荷重方向を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットのアーム、ボディー、手先部等の作用力を検出する力覚センサとして用いることができ、あるいはロボット以外にも医療用ベッドに配置し、患者の荷重移動を測定したり、ジョイスティックのような柔軟な操作ボタンにも利用できる。
特にロボット、医療用ベッドなどの物体表面に固着させることによって、人体などの接触体との接触時に柔軟変形すると同時に、接触体から物体表面に作用する接触荷重（３軸方向の力）の大きさ及びその荷重方向を検出可能な柔軟接触型荷重測定センサに関する。

工場等では人間とロボットの共同作業によって製品が製造されている。また、医療や福祉等の分野でもロボットが使用されると予想される。このようになると、ロボット（特にアーム部）が人体などの接触体と接触する頻度が増す。
その際、人体に危険が及ばないよう、センサの検出部に柔軟材料を用い、二次元分布荷重を検出する方法が提案されている（非特許文献１、２）。しかし、二次元センサでは接触体から受ける接触荷重（３軸方向の力）の大きさ及びその荷重方向を検出することができない。

これに対し、接触体から物体表面に作用する接触荷重の大きさ及びその荷重方向を検出可能な荷重測定センサとして、接触面の変形状態を撮像し、得られた画像を処理する画像処理手段を有する装置が知られている（非特許文献３、４）。
また、ロボット等に使用する力覚センサとしては、力作用部に加えられた力を６つの軸力に分けて検出する６軸力覚センサ（特許文献１）や、歪み検出素子としてのピエゾ抵抗素子を有し、微小部品や細胞等のハンドリング用の多軸力覚センサ（特許文献２）が提案されている。その他、電磁誘導式力覚センサ（特許文献３）、あるいは静電容量式力覚センサ（特許文献４）等もロボット等の力覚センサとして提案されている。
石川正俊，下条誠，「感圧導電性ゴムを用いた２次元分布荷重の中心の位置の測定方法」，計測自動制御学会論文集，18-7(1982)，730-735. 棚橋ひとみ，渋谷惇夫，下条誠，「感圧導電性ゴムを用いた頭圧分布の計測法」，繊維製品消費科学，40-9(1999)，605-610 多田充徳，柴田智広，今井正和，小笠原司，「人の把持力制御メカニズム研究のための指先変形と把持」，電子情報通信学会論文誌，84-6(2001)，1033-1044. 大岡昌博，三矢保永，松永泰明，高柳旬一，「光導波形三軸触覚センサ搭載ロボット・マニピュレータによる表面段差の識別」，日本機会学会論文集(C編)，65-637(1999)，3665-3671. 特開２００４−４５０４４ 特開２００１−２６４１９８ 特開２００２−８２００６ 特開２００１−１０８５４１

しかしながら、画像処理手段を有する荷重測定センサでは、画像処理に時間を要し、接触荷重（３軸方向の力）の大きさ及びその荷重方向を検出するまでに時間がかかってしまうという欠点がある。
一方、特許文献１、２に記載の力覚センサは、歪みゲージの抵抗変化やピエゾ抵抗素子の抵抗変化を測定するセンサ構造であり、センサ材料には強度の高い材料を用いているため、接触体と柔軟接触させることが困難となる場合がある。また特許文献３、４に記載の力覚センサは、前者が受信用コイルに流れる起電流の差動成分を測定するセンサ構成とされ、後者が可動板に加えた力と方向に対応して各可変静電容量部の静電容量が変化するセンサ構成とされているため、検出部の構造が複雑になる欠点がある。

またさらに特許文献１〜４に記載の全ての力覚センサは、センサ使用時、検出部の電気回路に常に電流を流しているため、消費電力が多いという問題もある。
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、検出部の構造が簡単でかつ消費電力が少ないうえに、接触体との接触時に柔軟変形すると同時に接触体から物体表面に作用する接触荷重の大きさ及びその荷重方向を迅速に検出可能な柔軟接触型荷重測定センサを提供することを目的とする。

本発明は、以下のとおりである。
１．接触体側に配置される弾性体からなる層と、物体側に配置される荷重測定層とを具備し、該荷重測定層は、可撓性を有する弾性体側の基板と、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板とからなり、接触体から物体に作用する接触荷重に応じてオン状態となるマイクロスイッチの位置に基づいて、前記接触荷重の大きさ及びその荷重方向を検出することを特徴とする柔軟接触型荷重測定センサ。

２．前記弾性体が球状又は半球状であることを特徴とする上記１．に記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
３．前記弾性体側の基板にマイクロスイッチをオン状態とする電極が形成され、前記物体側の基板にマイクロスイッチが形成されてなることを特徴とする上記１．又は２．に記載の柔軟接触型荷重測定センサ。

４．前記基板の電気回路は、オン状態となるスイッチの数が増すほど合成抵抗値が低くなるように構成されてなることを特徴とする上記１．〜３．のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
５．前記マイクロスイッチの端子が無負荷時の基準位置を通り、物体表面に垂直な軸（Ｚ軸）と直交するＸ−Ｙ軸面内に同じピッチでかつＸ、Ｙ軸に対して対称位置に形成されていることを特徴とする上記１．〜４．のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。

６．前記マイクロスイッチの端子が無負荷時の基準位置を通り、物体表面に垂直な軸（Ｚ軸）と直交するＸ−Ｙ軸上に同じピッチでかつ前記基準位置に対して対称位置に形成されていることを特徴とする上記１．〜４．のいずれかに記載の柔軟接触型の荷重測定センサ。
７．前記弾性体からなる層のさらに接触体側に、シリコンゴムなどの柔軟材で形成したスキン層を設けてなることを特徴とする上記１．〜６．のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。

８．前記弾性体と前記荷重測定層とを有する検出部が物体表面に複数配置されてなることを特徴とする上記１．〜７．のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。

本発明によれば、検出部の構造が簡単である柔軟接触型荷重測定センサを提供することができる。また、本発明に係る柔軟接触型荷重測定センサによれば、接触荷重が負荷されていないとき、マイクロスイッチがオフ状態となり、電気回路に電流が流れないので省電力型の荷重測定センサとすることができる。しかも、接触体との接触時に接触荷重に応じて弾性体が柔軟変形すると同時に、接触荷重に応じてオン状態となるマイクロスイッチの位置に基づいて、接触荷重の垂直方向荷重と面内方向荷重を求めるようにしたので、接触荷重の大きさ及びその荷重方向を迅速に検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を用い、詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係る柔軟接触型荷重測定センサは、図１に示したように、最も接触体側にスキン層３を有し、続いて配置される弾性体１からなる層と、物体側に配置される荷重測定層２とからなる検出部を具備している。この荷重測定層２は、可撓性を有する弾性体側の基板２Ａと、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板２Ｂとからなる。

このため、図１（ｂ）に模式的に示すように、物体表面に対して垂直な方向の垂直方向荷重Ｐによって、可撓性を有する弾性体側の基板２Ａが間隔を隔てて対向配置した物体側の基板２Ｂへ向かって沈み込むことができる。この荷重測定層２の物体側の基板２Ｂは、実装時、ロボット、医療用ベッドなどの物体Ｗの表面に適宜な板状部材を介して適宜な固着方法によって固着させる。

ここで、接触体から物体表面に作用する接触荷重は、物体表面に対して垂直な方向の垂直方向荷重Ｐと、物体表面に対して平行な方向の面内方向荷重Ｑに分けることができる。そこで垂直方向荷重Ｐと面内方向荷重Ｑを知ることができれば、接触荷重の大きさと、その荷重方向を検出することができる。
本発明は、後述するテスト結果から、前記接触荷重に応じてオン状態となるマイクロスイッチの位置に基づいて、垂直方向荷重Ｐと面内方向荷重Ｑを求め、接触荷重の大きさと、その荷重方向を検出するようにしたことが特徴である。

次いで、図２に示した柔軟接触型荷重測定センサを用い、球状の弾性体１に接触荷重を作用させてテストした結果に基づき、オン状態となるマイクロスイッチの位置によって、接触荷重の大きさと、その荷重方向を検出できることについて説明する。
この柔軟接触型荷重測定センサでは、弾性体側の基板２Ａにマイクロスイッチをオン状態とする電極５を形成し、物体側の基板２Ｂに端子６を形成した（図２、及び図５、図６参照）。また、スペーサ４にポリエステルフィルムを用い、基板２Ａと基板２Ｂとの間に配置し、無負荷状態でその間隔を０．０５ｍｍとした。図２中、９は、柔軟接触型荷重測定センサを載せた試験台を示し、それと物体側の基板２Ｂとの間にはロードセル１０を配置した。

このロードセル１０によって得た垂直方向荷重と、弾性体側の基板２Ａと弾性体１との間の接触面積との関係を図３（ａ）に、面内方向荷重と弾性体の基準位置からのずれ量δとの関係図３（ｂ）を示した。
図３に示す結果から、弾性体１と弾性体側の基板２Ａとの間の接触面積は、どの物質においても垂直方向荷重が増えるにしたがって線形的に増加すること、また、弾性体の基準位置からのずれ量δは、面内方向荷重の増大に伴い、２次的に増加することが判明した。

したがって、本発明の実施の形態に係る柔軟接触型荷重測定センサでは、弾性体１と弾性体側の基板２Ａとの間の接触面積、及び弾性体の基準位置からのずれ量δとそのずれ方向を測定することによって、垂直方向荷重Ｐと面内方向荷重Ｑを求めることができることがわかる。
上記テストは、弾性体１として高シスイソプレンゴム（天然ゴム）製の中空球体（直径６０ｍｍ）を用い、その中に空気、水、シリコンオイルを個別に120ml注入し、それぞれの弾性体１に対して、垂直方向荷重もしくはＸ軸方向に面内方向荷重を負荷して行った。

また弾性体側の基板２Ａには、エッチング処理をして電極５を形成したポリイミド製のフレキシブル基板に、ポリエチレンテレフタレートをシリコン添加接着剤で貼り合わせ、優れた可撓性を持たせた。また物体側の基板２Ｂには、フェノール製のプリント基板をエッチング処理し、所定の電気回路を有するマイクロスイッチを形成した。
次いで、オン状態となるマイクロスイッチの位置に基づいて、弾性体１と弾性体側の基板２Ａとの間の接触面積、及び弾性体の基準位置からのずれ量δとずれ方向が測定できることを図６を用いて説明する。

図６は、センサ使用時、接触荷重に応じてオン状態となるマイクロスイッチの範囲を示す平面図である。すなわち、接触荷重が作用した場合には、接触荷重に応じて弾性体と接触する弾性体側の基板２Ａが物体側の基板２Ｂに向けて沈み込み、マイクロスイッチの端子６と電極５とが接触することで、マイクロスイッチＳがオン状態となる。このことから、オン状態となるマイクロスイッチＳの位置を検出することで、図６に示す接触面積の輪郭を表す円が決定できる。例えば、図６（ａ）の場合、座標Ａ、Ｂ、Ｃの値は、Ｘ、Ｙ軸上のマイクロスイッチの端子６が電極５と接触してオン状態となるマイクロスイッチの位置から求まるので、この座標値を円の一般式に代入し、その連立方程式を解くことで、接触面積の輪郭を表す円が決定でき、その結果、接触面積及び円の中心位置からずれ量δとずれ方向が測定できる。弾性体が基準位置にある場合は、垂直方向荷重のみが物体表面に作用している条件であるから、接触面積が垂直方向荷重に応じた値となる一方、円の中心位置と基準位置とが一致し、面内方向荷重に応じたずれ量δは０と測定される。また、図６（ｂ）の場合にも、同様にして接触面積及びずれ量δとずれ方向が測定される。この弾性体が基準位置から移動した場合は、垂直方向荷重の他に面内方向荷重が物体表面に作用している条件であるから、接触面積が垂直方向荷重に応じた値となると同時に、円の中心位置が基準位置からずれ量δだけずれる。ずれ量δとずれ方向は面内方向荷重に応じた値となる。

なお、図４には、基板２Ａ、２Ｂに形成した電気回路のうちＺ軸に対して対称な位置にある１つのブロックの回路図を示した。図５には、Ｚ軸に対して対称な位置にある４つのブロックの電気回路の実装図を示した。４つのブロックの電気回路は、それぞれ独立しており、それぞれに直流電源７（電気回路がオフ状態、すなわち接触荷重が作用していない場合の電圧が例えば３．０Ｖで、電気回路がオン状態、すなわち接触荷重が作用した場合、一定の電流、例えば０．０３Ａを流すことができる安定化電源）が接続されている。ここで図４に示した、マイクロスイッチＳと一つの抵抗８とからなる回路を並列接続した電気回路の合成抵抗値Ｒ_０は、オン状態となるマイクロスイッチの数をＮとした場合、Ｒ／Ｎ（Ｒ：抵抗８の抵抗値）となる。そこで、図４中の出力＋、−間の箇所で測った電圧は、直流電源７から供給する電流を一定とした場合、オン状態となるスイッチの数に対応した図１２に示すようになる。

このように電気回路で測った電圧からオン状態となるマイクロスイッチの数が求まるから、例えば、図１２に示した関係によって、オフ状態からオン状態となるマイクロスイッチの位置を検出する。
ところで、マイクロスイッチの端子６が無負荷時の基準位置を通り、物体表面に垂直な軸（Ｚ軸）と直交するＸ−Ｙ軸上に同じピッチでかつ前記基準位置に対して対称位置に形成されているセンサとするのが好ましい。この理由は、図７に示すように、所定の垂直方向荷重に対して、オン状態となるマイクロスイッチの数を少なくできるからである。

なお、図８に示すように、マイクロスイッチの端子６が無負荷時の基準位置を通り、物体表面に垂直な軸（Ｚ軸）と直交するＸ−Ｙ軸面内に同じピッチでかつＸ、Ｙ軸に対して対称位置に形成されているセンサとしてもよい。この場合、垂直方向荷重と、オン状態となるマイクロスイッチの数とが線形関係となる。
また本発明は、弾性体１からなる層のさらに接触体側に、シリコンゴムなどのスキン層３を設けてなるセンサとすることが、人体との接触による感触を向上させたり、センサの検出部汚れを防止できるので好ましい。

また本発明は、図９に示すように、弾性体１と荷重測定層２とを有する検出部が物体表面に複数配置されてなるセンサとすることが、広範囲の物体表面に作用する捻り荷重を検出できるので好ましい。図１０には、図９に示した柔軟接触型荷重測定センサによって、物体表面に捻り荷重が作用した場合に得られる面内方向荷重と垂直方向荷重を示した（ａ）と、従来例の場合（ｂ）と対比して示した。

以上説明した柔軟接触型荷重測定センサには、球状の弾性体１を用いたが、図１１に示すように半球状の弾性体１を用いてもよい。球状、半球状の弾性体１はＺ軸（基準軸）回りに回転対称であるから、垂直方向荷重Ｐに対し、Ｚ軸と直交する面内方向に均一に柔軟変形するためである。ただし、球状、半球状以外の弾性体であっても、本発明の作用効果を発揮できる弾性体であればその形状は限定されない。

図２に示した柔軟接触型荷重測定センサを用い、インストロン型の万能試験機によってラム移動速度を１０ｍｍ／ｓに設定し、球状の弾性体１に垂直方向荷重を負荷し、垂直方向荷重による電圧変化を調べた。その結果を図１３に示した。
なお、直流電源７の電圧は電気回路がオフ状態、すなわち接触荷重が作用していない場合３．０Ｖとし、マイクロスイッチＳと接続した一つの抵抗８の抵抗値は１００オームである。図４中の出力＋、−間の箇所を電圧測定器（センサインタフェース 共和電業製 ＰＣＤ−３００）で測った電圧とロードセルからの荷重信号はＡＤ変換器を介してパソコンに取り込み、図１３中の実測値とした。図１３中、シミュレーション値は、球状の弾性体１の潰れていく様子を写真撮影しそれから接触面積を求め、オン状態のマイクロスイッチの個数を決定し、電圧を推定した結果を示す。

この結果から、無負荷状態では電圧は初期の３Ｖであるが、垂直方向荷重が増えるにしたがって、オン状態となるマイクロスイッチの個数が多くなり、１つのブロックの回路の合成抵抗値Ｒ_０が小さくなって、階段状に電圧が減少している。またこの実施例では垂直方向荷重の分解能は約２．５Ｎであり、これをさらに上げるにはスイッチ間隔ａを２ｍｍ未満に狭める必要があることがわかった。

面内方向荷重と図４中の出力＋、−間の箇所を電圧測定器で測った電圧との関係を明らかにするため、図２に示した柔軟接触型荷重測定センサを用い、垂直方向荷重を１０Ｎ加えた状態で、１つのブロック方向（Ｘ軸の＋方向）へ向けて球状の弾性体１に面内方向荷重を負荷した。
その結果を図１４に示した。

図１４に示す結果から、面内方向荷重の増加に伴って、Ｘ軸の＋方向ブロックでの電圧が階段状に減少していることがわかる。なお、初期電圧が０．８５Ｖから始まっているのは垂直方向荷重を１０Ｎ加えた状態で面内方向荷重を負荷しているからである。また実施例２の結果から今回作製したセンサのＸ軸方向荷重の解能は約０．７Ｎであった。この面内方向荷重の解能を上げるには、スイッチ間隔ａを２ｍｍ未満に狭める必要がある。

本発明の実施の形態に係る柔軟接触型荷重測定センサの構成（ａ）と、その作用を説明する側面図（ｂ）、同平面図（ｃ）である。 柔軟接触型荷重測定センサのテスト時の構成を示す側面図である。 柔軟接触型荷重測定センサのテストによって得られた特性図である。 基板に形成した電気回路の回路図である。 基板に形成した電気回路の実装図である。 センサ使用時、接触荷重に応じ、オン状態となるマイクロスイッチの範囲を示す平面図である。 本発明に用いる基板に形成して好適なマイクロスイッチの端子位置を示す平面図（ａ）とその特性図である。 本発明に用いる基板に形成してもよいマイクロスイッチの端子位置を示す平面図（ａ）とその特性図である。 弾性体と荷重測定層とを有する検出部を物体表面に複数配置した柔軟接触型荷重測定センサの構成図である。 図９に示した柔軟接触型荷重測定センサによって得られる面内方向荷重及び垂直方向荷重を示した（ａ）と、従来例の場合（ｂ）とを対比して示す平面図である。 本発明に半球状の弾性体を用いた場合の構成を示す側面図である。 本発明に用いる基板に形成した電気回路の特性図である。 本発明に用いる基板に形成した電気回路の実装状態での特性図である。 本発明に用いる基板に形成した電気回路の実装状態での特性図である。

符号の説明

１ 弾性体
２ 荷重測定層
２Ａ、２Ｂ 基板
３ スキン層
４ スペーサ
５ 電極
６ マイクロスイッチの端子
７ 直流電源
Ｓ マイクロスイッチ
８ 抵抗
９ 試験台
１０ ロードセル
Ｗ ロボット、医療用ベッドなどの物体
Ｏ 無負荷時の基準位置
Ｐ 垂直方向荷重（物体表面に対して垂直な方向の荷重：Ｚ軸方向荷重）
Ｑ 面内方向荷重（物体表面に対して平行な方向の荷重）
δ 弾性体の基準位置からのずれ量（球状弾性体のＺ軸（基準軸）からの移動量）
ａ スイッチ間隔

Claims (8)

1. 接触体側に配置される弾性体からなる層と、物体側に配置される荷重測定層とを具備し、該荷重測定層は、可撓性を有する弾性体側の基板と、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板とからなり、接触体から物体に作用する接触荷重に応じてオン状態となるマイクロスイッチの位置に基づいて、前記接触荷重の大きさ及びその荷重方向を検出することを特徴とする柔軟接触型荷重測定センサ。
2. 前記弾性体が球状又は半球状であることを特徴とする請求項１に記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
3. 前記弾性体側の基板にマイクロスイッチをオン状態とする電極が形成され、前記物体側の基板にマイクロスイッチの端子が形成されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
4. 前記基板の電気回路は、オン状態となるマイクロスイッチの数が増すほど合成抵抗値が低くなるように構成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
5. 前記マイクロスイッチの端子が無負荷時の基準位置を通り、物体表面に垂直な軸（Ｚ軸）と直交するＸ−Ｙ軸面内に同じピッチでかつＸ、Ｙ軸に対して対称位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
6. 前記マイクロスイッチの端子が無負荷時の基準位置を通り、物体表面に垂直な軸（Ｚ軸）と直交するＸ−Ｙ軸上に同じピッチでかつ前記基準位置に対して対称位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の柔軟接触型の荷重測定センサ。
7. 前記弾性体からなる層のさらに接触体側に、シリコンゴムなどの柔軟材で形成したスキン層を設けてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
8. 前記弾性体と前記荷重測定層とを有する検出部が物体表面に複数配置されてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。

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