JP2007196372A - ロボットの外被 - Google Patents

Abstract

【課題】柔らかい表皮を備えると共に、その表皮を介して印加される荷重の作用点あるいは荷重分布を確実に検出し、よって外界との接触点を確実に推定できるようにしたロボットの外被を提供する。
【解決手段】ベース５０ａ上に離散的に敷設された複数個の触覚センサ５２と、触覚センサの上方に配置されると共に、触覚センサに対向する面に、触覚センサのそれぞれに向けて断面視において縮径された突起５０ｂ１が触覚センサのそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材５０ｂと、および第１部材の上方に配置されると共に、第１部材より剛性において低い素材からなる第２部材５０ｃとを備える。
【選択図】図５

Description

この発明は、ロボットの外被に関する。

従来、下記の特許文献１に示すように、ベース上に相互に間隔をおいて離散的に配置された触覚センサと、触覚センサの全体を覆うようにその上方に配置された高剛性の素材からなる内部皮膚（第１部材）と、内部皮膚を覆うようにその上方に配置された低剛性で高摩擦係数を有する素材からなる外部皮膚（第２部材）を備え、外界との接触によって生じる荷重を内部皮膚を介して触覚センサで検出するようにしたロボットの外被が提案されている。

また、下記の特許文献２に示すように、外表面（ベース）上に配置されたマトリクス状の触覚センサと、その上方に配置されたシリコーン製の疑似皮膚膜（第１部材）を備え、外界との接触によって生じる荷重を静電容量の変化から検出するようにしたロボットの外被が提案されている。特許文献２記載の技術においては、擬似皮膚膜の、触覚センサの櫛状電極が交差する検出点の上方に当たる部位に断面凸字状の貫通孔を穿設してそこに同形状の押圧ピンを収容すると共に、押圧ピンの先端を疑似皮膚膜の表面から突出させて外界に接触させることで、外界からの荷重を押圧ピンによって検出点に作用させるように構成している。
特公平７−８４７７号公報 特開２００４−２３０５３２号公報

ロボット外被にあっては、外部皮膚あるいは疑似皮膚膜からなる表皮は柔らかいことが要求される一方、その表皮を介して印加される荷重を確実に検出できることが要求される。しかしながら、特許文献１記載の従来技術にあっては、内部皮膚がベース上に離散的に配置された触覚センサの全体を覆うように配置されることから、外界との接触によって生じる荷重が分散され、荷重の作用点あるいは荷重分布を確実に検出できず、その結果、外界との接触点の推定精度も十分ではないという不都合があった。また、特許文献２記載の従来技術にあっても、検出点の間が不感帯となり、同様の不都合を免れないものであった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、柔らかい表皮を備えると共に、その表皮を介して印加される荷重の作用点あるいは荷重分布を確実に検出し、よって外界との接触点を確実に推定できるようにしたロボットの外被を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に係るロボットの外被にあっては、ベース上に離散的に敷設された複数個の触覚センサと、前記触覚センサの上方に配置されると共に、前記触覚センサに対向する面に、前記触覚センサのそれぞれに向けて断面視において縮径された突起が前記触覚センサのそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材と、および前記第１部材の上方に配置されると共に、前記第１部材より剛性において低い素材からなる第２部材とを備える如く構成した。

請求項２に係るロボットの外被にあっては、ベースに対して離散的に敷設された複数個の触覚センサと、前記触覚センサに対向する面に前記触覚センサのそれぞれに向けて断面視において縮径された突起が前記触覚センサのそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材と、前記第１部材より剛性において低い素材からなると共に、前記第１部材を包囲して支持する第２部材と、前記第２部材を前記ベースに固定する固定具とを備える如く構成した。

請求項３に係るロボットの外被にあっては、前記突起はそれぞれ、前記触覚センサのそれぞれの電極の面積以上の面積を有する押圧部位をその先端に備える如く構成した。

請求項４に係るロボットの外被にあっては、前記突起はそれぞれ、円錐体形状または半球形状である如く構成した。

請求項５に係るロボットの外被にあっては、前記第１部材と前記触覚センサの間に、前記第１部材より剛性において低い素材からなる第３部材を備える如く構成した。

請求項６に係るロボットの外被にあっては、前記第２部材の上面に、前記第２部材と摩擦係数において異なるコーティング材が塗布される如く構成した。

請求項７に係るロボットの外被にあっては、前記突起の押圧部位が、導電ゴム材からなる如く構成した。

請求項１に係るロボットの外被にあっては、ベース上に離散的に敷設された複数個の触覚センサと、触覚センサの上方に配置されると共に、触覚センサに対向する面に、触覚センサのそれぞれに向けて断面視において縮径された突起が前記触覚センサのそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材と、および第１部材の上方に配置されると共に、第１部材より剛性において低い素材からなる第２部材とを備える如く構成したので、第２部材を柔らかい表皮として備えると共に、その表皮を介して印加される荷重の作用点あるいは荷重分布を確実に検出し、よって外界との接触点を確実に推定することができる。

即ち、第２部材（柔らかい表皮）に印加される荷重を確実に検出するためには、荷重を分散させることなく、触覚センサの検出点（電極）に作用させる必要があるが、請求項１においては、触覚センサの上方に、触覚センサのそれぞれに向けて断面視において縮径された突起が形成された第１部材を備えるように構成したので、第１部材の上に配置された第２部材に荷重が印加されるとき、よって生じる内部応力を触覚センサの検出点に集中させることができる。

また、現実には、触覚センサを無数に配置することはできず、有限個のセンサを離散的、即ち、相互にある程度の間隔をおいて配置せざるを得ないが、不感帯が生じると、検出精度が低下する。しかしながら、請求項１においては縮径された突起が触覚センサのそれぞれを押圧可能に連続的に形成されるように構成したので、触覚センサと触覚センサの間に印加された荷重をそれらに分配することができると共に、分配の度合いに応じて両センサの間のどの辺に荷重が印加されたのかを検出することができる。

以上から、請求項１に係るロボット外被にあっては、第２部材（表皮）を介して印加される荷重の作用点あるいは荷重分布を確実に検出し、よって外界との接触点を確実に推定することができる。また、第２部材（表皮）を備える如く構成したので、外界との接触による衝撃を緩和すると共に、接触面積を拡大することができ、ロボットが人の形状を模したヒューマノイド型のロボットであり、外被がそのハンドの外被であるときなど、ワーク（外界）の把持を容易にすることができる。

請求項２に係るロボットの外被にあっては、ベースに対して離散的に敷設された複数個の触覚センサと、触覚センサに対向する面に触覚センサのそれぞれに向けて断面視において縮径された突起が触覚センサのそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材と、第１部材より剛性において低い素材からなると共に、第１部材を包囲して支持する第２部材と、第２部材をベースに固定する固定具とを備える如く構成したので、請求項１と同様、第２部材に荷重が印加されるとき、よって生じる内部応力を触覚センサのそれぞれに向けて断面視において縮径された突起が形成された第１部材を介して触覚センサの検出点に集中させることができ、よって外界との接触点を確実に推定することができる。

また、第１部材を包囲して支持する第２部材と、第２部材をベースに固定する固定具とを備える如く構成したので、第２部材をベースに確実に固定できると共に、第１部材にはベースに対してある程度の自由度を与えることができる。

さらに、請求項１と同様、第２部材を備える如く構成したので、外界との接触による衝撃を緩和すると共に、接触面積を拡大することができ、ロボットが人の形状を模したヒューマノイド型のロボットであり、外被がそのハンドの外被であるときなど、ワーク（外界）の把持を容易にすることができる。より具体的には、ワークが大きい場合はその面にならうように、小さい場合はそれを包みこむことでワークを確実に把持することができる。さらに、第２部材は第１部材より剛性において低い素材からなる如く構成したので、接触面積を増加させて一層確実に把持することができる。

請求項３に係るロボットの外被にあっては、突起はそれぞれ触覚センサのそれぞれの電極の面積以上の面積を有する押圧部位をその先端に備える如く構成したので、上記した効果に加え、位置ずれが多少生じたとしても、触覚センサの電極の全体を押圧することができ、荷重を一層確実に検出することができる。

請求項４に係るロボットの外被にあっては、突起はそれぞれ円錐体形状または半球形状である如く構成したので、上記した効果に加え、第１部材の上に配置された第２部材に荷重が印加されるとき、応力が部分的に集中するような稜線が存在しないことから、よって生じる内部応力を触覚センサに一層確実に集中させることができる。

請求項５に係るロボットの外被にあっては、第１部材と触覚センサの間に、第１部材より剛性において低い素材からなる第３部材を備える如く構成したので、突起を介しての応力（荷重）集中を一層確実にすることができる。尚、第２部材を第３部材として機能させても良い。

請求項６に係るロボットの外被にあっては、第２部材の上面に第２部材と摩擦係数において異なるコーティング材が塗布される如く構成したので、上記した効果に加え、外被の外表面の摩擦係数を簡易に変更することも可能となる。

請求項７に係るロボットの外被にあっては、突起の押圧部位が導電ゴム材からなる如く構成したしたので、上記した効果に加え、外被の高さを低くすることができ、その分だけ外被の構造をコンパクトにすることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係るロボットの外被を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係るロボットの外被が適用可能なロボットの正面図であり、図２はその右側面図である。

図１に示すように、ロボット１０は、２本の脚部１２を備えると共に、その上方には基体（上体）１４が連結される。基体１４のさらに上方には頭部１６が連結されると共に、上体１４の両側には２本の腕部１８が連結される。左右の腕部１８の先端にはハンド２０が連結される。また、図２に示すように、基体１４の背部には格納部２２が設けられ、その内部にはＥＣＵ（Electronic Control Unit。電子制御ユニット）２４およびバッテリ２６などが収容される。

尚、ロボット１０は、左右の脚部１２のそれぞれについて６つの自由度を与えられ、これら６×２＝１２個の関節を駆動する電動モータをＥＣＵ２４で算出された制御値に基づいて動作させることにより、足全体に所望の動きを与えることができ、ロボット１０を任意に３次元空間を移動させることができる。また、左右の腕部１８のそれぞれについても５つの自由度を与えられ、これら５×２＝１０個の関節を駆動する電動モータをＥＣＵ２４で算出された制御値に基づいて動作させることにより、腕部１８に所望の動きを与えることができる。

さらに、左右のハンド２０のそれぞれについても、後述の如く１４つの自由度を与えられ、これら１４×２＝２８個の関節を駆動する電動モータをＥＣＵ２４で算出された制御値に基づいて動作させることにより、ハンド２０にワーク（外界）の把持などの所望の動きを与えることができる。このように、ロボット１０は、人の形状を模した自律歩行が可能なヒューマノイド型ロボットとして構成される。

図３は、ハンド２０を手の平側から見た平面図である。

図３に示す如く、ハンド２０は、手掌部３０と、手掌部３０に接続された第１から第５の指部３２から４０と、手の平側の面を構成する手の平形成部４２と、手の甲側を形成する手の甲形成部４４とから構成される。ハンド２０の基端部は、前記した腕部１８に接続される。第１から第５の指部３２〜４０は、それぞれ人の手の親指、人差し指、中指、薬指および小指に相当する。手掌部３０は、手の平側の面を形成する手の平形成部材４２と、手の甲側の面を形成する手の甲形成部４４とからなる。

第１から第５の指部３２から４０は、複数個の指リンクと、それらを連接する指関節とからなる。具体的には、第１の指部３２（親指）は、末節リンク３２ａと、基節リンク３２ｂと、それらを接続する第１関節３２Ａと、基節リンク３２ｂを手掌部３０に固定された中手リンク３２ｃに接続する第２関節３２Ｂとからなる。また、第２の指部３４（人差し指）は、末節リンク３４ａと、中節リンク３４ｂと、基節リンク３４ｃと、末節リンク３４ａと中節リンク３４ｂを接続する第１関節３４Ａと、中節リンク３４ｂと基節リンク３４ｃを接続する第２関節３４Ｂと、基節リンク３４ｃを手掌部３０に固定された中手リンク３４ｄに接続する第３関節３４Ｃとからなる。第３の指部３６、第４の指部３８および第５の指部４０も、第２の指部３４と同様に構成される。

図４は、第２の指部３４の拡大分解斜視図である。

図４に示す如く、中手リンク３４ｄには、第１の電動モータ３４ｄ１と、その出力を減速する遊星歯車減速機などからなる第１の減速機構３４ｄ２と、第３関節３４Ｃの回転角度（関節角度）を検出する第１のエンコーダ３４ｄ３とが配置される。第１の電動モータ３４ｄ１の出力軸と、第１の減速機構３４ｄ２の入力軸と、第１のエンコーダ３４ｄ３の回転軸とは、第１のベルト３４ｄ４を介して接続される。

第１の減速機構３４ｄ２の回転出力部３４ｄ５には、結合部３４ｄ６が設けられ、図示しないボルトによって基節リンク３４ｃに固定される。このように、中手リンク３４ｄと基節リンク３４ｃは、第３関節３４Ｃの関節軸３４ＣＳを介して相対角度変化自在に連結される。

また、基節リンク３４ｃには、第２の電動モータ３４ｃ１と、その出力を減速する遊星歯車減速機などからなる第２の減速機構３４ｃ２と、第２関節３４Ｂの回転角度（関節角度）を検出する第２のエンコーダ３４ｃ３とが配置される。第２の電動モータ３４ｃ１の出力軸と、第２の減速機構３４ｃ２の入力軸と、第２のエンコーダ３４ｃ３の回転軸とは、第２のベルト３４ｃ４を介して接続される。

第２の減速機構３４ｃ２の回転出力部３４ｃ５には、結合部３４ｃ６が設けられ、図示しないボルトによって中節リンク３４ｂに固定される。このように、基節リンク３４ｃと中節リンク３４ｂは、第２関節３４Ｂの関節軸３４ＢＳを介して相対角度変化自在に連結される。

中節リンク３４ｂには、第３の電動モータ３４ｂ１と、その出力を減速する遊星歯車減速機などからなる第３の減速機構３４ｂ２と、第１関節３４Ａの回転角度（関節角度）を検出する第３のエンコーダ３４ｂ３とが配置される。第３の電動モータ３４ｂ１の出力軸と、第３の減速機構３４ｂ２の入力軸と、第３のエンコーダ３４ｂ３の回転軸とは、第３のベルト３４ｂ４を介して接続される。

第３の減速機構３４ｂ２の回転出力部３４ｂ５には、ピン孔３４ｂ６が穿設される。末節リンク３４ａにはピン孔３４ｂ６に対応するピン孔３４ａ１が穿設され、それらに図示しないピンを挿通することにより、中節リンク３４ｂと末節リンク３４ａが連結される。

中節リンク３４ｂと末節リンク３４ａは、アーム３４ａ２を介して接続される。アーム３４ａ２は、その一端が末節リンク３４ａの適宜位置に回転自在に取り付けられる一方、他端が中節リンク３４ｂの適宜位置に回転自在に取り付けられ、第２の指部３４の長手方向に対して傾斜した姿勢で配置される。中節リンク３４ｂと末節リンク３４ａは、第１関節３４Ａを構成する二つの関節軸３４ＡＳ１と３４ＡＳ２を介して相対角度変化自在に接続される。

尚、末節リンク３４ａの先端には、指先部３４ａ３が取り付けられる。指先部３４ａ３自体は各種の樹脂系材料あるいはアルミニウムなどの金属材料から製作される。指先部３４ａ３の表皮は、ウレタンあるいはシリコンゴムなどから製作される。

第１の電動モータ３４ｄ１の回転出力は第１のベルト３４ｄ４を介して第１の減速装置３４ｄ２に伝達され、第３関節３４Ｃをその関節軸３４ＣＳ回りに回転させて基節リンク３４ｃと中手リンク３４ｄの相対角度を変化させる。第２の電動モータ３４ｃ１の回転出力は第２のベルト３４ｃ４を介して第２の減速装置３４ｃ２に伝達され、第２関節３４Ｂをその関節軸３４ＢＳ回りに回転させて中節リンク３４ｂと基節リンク３４ｃの相対角度を変化させる。第３の電動モータ３４ｂ１の回転出力は第３のベルト３４ｂ４を介して第３の減速装置３４ｂ２に伝達され、第１関節３４Ａを一方の関節軸３４ＡＳ１回りに回転させて末節リンク３４ａと中節リンク３４ｂの相対角度を変化させる。

第３の指部３６、第４の指部３８および第５の指部４０も第２の指部３４と同様に構成され、それぞれの指部に３個ずつ配置された電動モータ（図示せず）を駆動することにより、第１から第３関節をそれらの関節軸回りに回転させて各リンクの相対角度を変化させる。第１の指部３２は、第３関節と中節リンクを備えないことを除いて第２の指部３４と同様に構成され、中手リンク３２ａと基節リンク３２ｂに配置された２個の電動モータ（図示せず）を駆動することにより、第１および第２関節を回転させて各リンクの相対角度を変化させる。以上のように、ハンド２０にあっては、各指部に３個あるいは２個ずつ配置された電動モータを駆動することにより、各指部を屈曲・伸展させ、ワークなど（外界）の把持動作などを行うことができる。

ここで、この実施例に係る外被について説明すると、図３に示す如く、ハンド２０の手の平形成部４２と第１から第５の指部３２〜４０の手の平形成面側は、外被５０で全面にわたって被覆される。

図５（ａ）は、外被５０の構造を模式的に示す断面図である。

図示の如く、外被５０は、ベース５０ａの上に敷設された複数個（一群の）、図示例でいえば８個の触覚センサ５２と、触覚センサ５２の上方に配置される第１部材５０ｂと、第１部材５０ｂの上方に配置される第２部材５０ｃと、第１部材５０ｂと触覚センサ５２の間に配置される第３部材５０ｄを備える。

ベース５０ａは、図３に示す例でいえば、指先部、指部の中節リンクもしくは基節リンクなどの手の平（指腹）側、あるいは手の平面（手の平形成部４２）などに相当する。第２部材５０ｃの上面にはコーティング材５０ｅが塗布される。触覚センサ５２は、導電性ゴム５２ａと電極部５２ｂからなる。

図５（ａ）に示す構造を上方側から層ごとに説明すると、外被５０は、第１層（コーティング材５０ｅ）、第２層（第２部材５０ｃ）、第３層（第１部材５０ｂ）、第４層（第３部材５０ｄ）、第５層（触覚センサ５２の導電性ゴム５２ａ）、および第６層（触覚センサ５２の電極部５２ｂ）からなる。人体に即していえば、第１層が角質層、第２層が表皮、第４層が真皮、第５層と第６層が受容器に相当する。

このように、この実施例に係るロボット１０の外被５０は、人の皮膚組織や受容器を模した構造を備える。図示の如く、第２層は２ｍｍ、第３層（と第４層）も２ｍｍ、第５層は０．５ｍｍ、第６層は約０．１ｍｍ程度の厚みを備え、外被５０全体で４．６ｍｍ程度の厚みを備える。

第６層（触覚センサ５２の電極部５２ｂ）は、具体的にはFlexible Printed Circuitで製作された櫛型電極と配線からなる。図５（ｂ）は、その平面図である。同図で、符号５２ｂ１は電極、５２ｂ２は電極５２ｂ１が露出されたエリア、換言すれば絶縁層がないエリアを示す。

以下個別に説明すると、第３層を形成する第１部材５０ｂは、触覚センサ５２に対向する面、即ち、ベース５０ａに近い面に、触覚センサ５２のそれぞれに向けて断面視において縮径された、より具体的には徐々に縮径された一群の突起５０ｂ１が形成されてなる。

突起５０ｂ１は触覚センサ５２の個数と同数個の８個からなり、触覚センサ５２のそれぞれに向けて断面視において縮径された形状を備えると共に、触覚センサ５２のそれぞれを押圧可能に連続的に形成される。具体的には、突起５０ｂ１はそれぞれ錐体形状（より具体的には円錐体形状）を呈すると共に、図５（ａ）（ｂ）に示す如く、触覚センサ５２の電極部５２ｂの電極５２ｂ１の面積以上の面積Ｓを有する押圧部位５０ｂ１１をその先端に備える。

次いで、素材あるいは材質を説明すると、コーティング材５０ｅ（第１層）には例えば、「人肌のゲル用表面コート剤」（商品名）を使用する。第２部材５０ｃ（第２層）には例えばポリウレタン、より具体的には「人肌のゲル 硬度Ｏ」（商品名）からなるウレタン原液でShoreＡ０の硬度を有する樹脂（超軟質ウレタン樹脂）を使用する。コーティング材５０ｅの摩擦係数は、第２部材５０ｃを形成する素材のそれと異なる。

図６は、指部３４の指先部３４ａ付近における外被５０の外観を示す斜視図である。図示の如く、外被５０の表面は滑らかな外観を呈する。尚、図示は省略するが、手掌部３０の手の平形成部４２などの外被５０も同様に滑らかな表面を備える。

第１部材５０ｂ（第３層）には例えばポリウレタン、より具体的には「ハイキャスト３４００」（商品名）で、例えばShoreＡ９０の硬度を有する樹脂で、低粘度であると共に、硬化性に優れた樹脂を使用する。

第３部材５０ｄ（第４層）には例えばポリウレタン、より具体的には第２部材５０ｃ（第２層）と同様、ShoreＡ０の硬度を有する樹脂を使用する。換言すれば、第１部材５０ｂ（第３層）と触覚センサ５２（第５，６層）の間に配置される第３部材５０ｄ（第４層）は、第１部材５０ｂ（第３層）を形成する樹脂（素材）よりも剛性において低い樹脂（素材）からなる。

第５層、即ち、触覚センサ５２の導電性ゴム５２ａの素材としては、絶縁性ゴムの中に炭素粉末などの導電粉末を混入してなる素材を使用する。導電性ゴム材は、荷重に応じて圧縮されると、内部の導電粉末の密度が変化して抵抗値が低下する。

尚、外被５０として、図５に示す如く、触覚センサ５２を横方向に一列だけ並列させたものを開示したが、それに止まらないことはいうまでもない。即ち、図５に示す構成を縦方向に連続させ、触覚センサ５２が図５において左右および上下にマトリクス状に連続するように構成しても良い。それについては後述する。

次いで、触覚センサ５２の検出動作について説明する。

図７は、触覚センサ５２の電極５２ｂ１の構造を模式的に示す説明断面図である。図７に示す如く、電極５２ｂ１は、微小距離をおいて配置された２本の電線５２ｂ１１，５２ｂ１２からなる。電線５２ｂ１１は接地されると共に、電線５２ｂ１２は電源Ｖｅに抵抗Ｒを介して接続される。

図８は、図７の電極を用いた、触覚センサ５２の検出回路の回路図である。

図示の検出回路にあっては、印加された荷重に応じ、突起５０ｂ１の押圧部位５０ｂ１１によって導電性ゴム５２ａが押圧されてその抵抗値が低下するにつれ、２本の電線５２ｂ１１，５２ｂ１２の間を流れる電流値が変化し、その両端電圧が変化する。従って、それを出力電圧として取り出すことで、ワークなどの外界との接触によって生じる荷重あるいは荷重分布を確実に検出でき、よって外界との接触点を確実に推定することができる。出力電圧Ｖは、以下の式に従って算出される。
Ｖ=Ｖｅ×｛Ｒｘ／（Ｒ＋Ｒｘ）｝［Ｖ］

上記において分圧抵抗Ｒが大きいほど検出感度が向上する。この実施例にあっては、１［Ｎ］程度の荷重まで検出可能とすると共に、耐ノイズ性を考慮して第１部材５０ｂの素材を上記のように選択し、その抵抗値を例えば３３［ｋΩ］とした。また、検出感度は、第１部材５０ｂ（第３層）の他、第２部材５０ｃ（第２層）あるいは第３部材５０ｄ（第４層）の硬度によっても相違することから、それらの素材についても検出感度を考慮して上記のように選択した。

次いで、この実施例に係る触覚センサ５２の検出精度について説明する。

先に述べた如く、柔らかい第２部材５０ｃ（第２層）に印加される荷重を確実に検出するためには、荷重を分散させることなく、触覚センサ５２に作用させる必要があるが、この実施例においては、触覚センサ５２の上方に（断面視において縮径された）円錐体からなる突起５０ｂ１が形成された第１部材５０ｂ（第３層）を備えるように構成したので、荷重が印加されるとき、よって生じる内部応力を触覚センサ５２に集中させることができる。

それについて説明すると、図９において、円錐体の上面の面積をＡ，下面の面積をａ，荷重をＦとすると、面積Ａが受ける面圧Ｐは、Ｐ＝Ｆ／Ａとなり、面積ａが受ける面圧ｐは、ｐ＝Ｆ／ａとなる。例えばＡ＝５×ａとすると、ｐ＝Ｆ／（Ａ／５）＝（５・Ｆ）／Ａとなる。即ち、ａではＡの５倍の面圧となり、荷重Ｆによって生じる内部応力を触覚センサ５２の電極５２ｂ１に確実に集中させることができる。

また、現実には、触覚センサ５２を無数に配置することはできず、有限個のセンサを離散的、即ち、相互にある程度の間隔をおいて配置せざるを得ないが、不感帯が生じると、検出精度が低下する。しかしながら、この実施例においては、縮径された突起５０ｂ１が触覚センサ５２のそれぞれを押圧可能に連続的に形成されるように構成したので、図１０に示す如く、触覚センサ５２と触覚センサ５２の間に印加された荷重Ｆをそれらに荷重ｆ１，ｆ２として分配することができる。例えば、荷重Ｆを１００％とすると、ｆ１，ｆ２を５０%ずつなどと分配することができる。

また、分配の度合いに応じて両センサの間のどの辺に荷重が印加されたのかを検出することができる。特に、均一の荷重（圧力）が印加されるときは、触覚センサ５２の出力電圧から接触点を確実にあるいは精度良く推定することができる。

それについて説明すると、図１１に示す如く、外被５０に径１６ｍｍのローラ６０で一定の荷重２［Ｎ］を印加しながら、ローラ６０を紙面において左から右に移動させた場合を想定する。図１２はその出力電圧とそれから推定される接触点の推定を示す表である。

図１１においてローラ６０が左から７個目の触覚センサ５２-7から８個目の触覚センサ５２-8に移動する状況を考える。触覚センサ５２-7の出力電圧をＶ７，触覚センサ５２-8のそれをＶ８とすると、触覚センサ５２の移動方向の幅は４ｍｍであるから、ローラ６０の位置ｘ［ｍｍ］は、図１２の下部に示す式から算出することができる。

従って、算出値からローラ６０が触覚センサ５２-7の上にあるか、触覚センサ５２-8の上にあるか、あるいはそれらの中点（中間）にあるかを推定することができる。また、それら以外の接触点は、補間で算出することができる。図１３は図１２に示す値をプロットしたグラフである。

この実施例に係るロボット１０の外被５０は上記の如く、ベース５０ａ上に離散的に敷設された複数個の触覚センサ５２と、前記触覚センサの上方に配置されると共に、前記触覚センサに対向する面に、前記触覚センサのそれぞれに向けて断面視において縮径された突起５０ｂ１が前記触覚センサのそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材５０ｂと、および前記第１部材の上方に配置されると共に、前記第１部材より剛性において低い素材からなる第２部材５０ｃとを備える如く構成したので、第２部材５０ｃを柔らかい表皮として備えると共に、その表皮を介して印加される荷重の作用点あるいは荷重分布を確実に検出し、よって外界との接触点を確実に推定することができる。

また、第２部材（表皮）５０ｃを備える如く構成したので、外界との接触による衝撃を緩和すると共に、接触面積を拡大することができ、ハンド２０の外被であるときなどはワーク（外界）の把持を容易にすることができる。

また、前記突起５０ｂ１はそれぞれ、前記触覚センサ５２のそれぞれの電極５２ｂ１の面積以上の面積Ｓを有する押圧部位５０ｂ１１をその先端に備える如く構成したので、上記した効果に加え、位置ずれが多少生じたとしても、触覚センサ５２の電極５２ｂ１の全体を押圧することができ、荷重を一層確実に検出することができる。

また、前記突起５０ｂ１はそれぞれ、断面視において円錐体形状である如く構成したので、上記した効果に加え、第１部材５０ｂの上に配置された第２部材５０ｃに荷重が印加されるとき、応力が部分的に集中するような稜線が存在しないことから、よって生じる内部応力を触覚センサ５２に一層確実に集中させることができる。

また、前記第１部材５０ｂと前記触覚センサ５２の間に、前記第１部材より剛性において低い素材からなる第３部材５０ｄを備える如く構成したので、上記した効果に加え、突起のそれぞれの対応する触覚センサへの押圧を妨げないことで、突起を介しての応力（荷重）集中を一層確実にすることができる。

また、前記第２部材５０ｃの上面に、前記第２部材と摩擦係数において異なるコーティング材５０ｅが塗布される如く構成したので、上記した効果に加え、外被５０の外表面の摩擦係数を簡易に変更することも可能となる。

図１４は、この発明の第２実施例に係るロボットの外被を示す、図５と同様な外被の模式的な断面図である。

第１実施例においては第１部材５０ｂの突起５０ｂ１の形状を錐体形状、より具体的には円錐体形状にしたが、第２実施例においては、それに代え、半球形状とした。これにより、第１部材５０ｂの上に配置された第２部材５０ｃに荷重が印加されるとき、応力が部分的に集中するような稜線が存在しないことから、よって生じる内部応力を触覚センサ５２に一層確実に集中させることができる。

残余の構成および効果は、第１実施例と異ならない。尚、突起５０ｂ１の形状はそれに止まるものではなく、要は断面視において稜線を持たずに縮径される形状であれば、どのような形状でも良い。残余の構成および効果は、第１実施例と異ならない。

図１５は、この発明の第３実施例に係るロボットの外被を拡大して示す、図５と同様な外被の模式的な断面図である。

従前の実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第４実施例に係るロボットの外被５０にあっては、第１部材５０ｂの突起５０ｂ１の押圧部位５０ｂ１１、より正確には押圧部位５０ｂ１１を含む部位が導電ゴム材（導電性ゴム５２）からなる如く構成した。尚、その他の構成は従前の実施例と異ならない。

第３実施例に係る外被５０は、これにより、従前の実施例で述べた効果に加え、外被５０の高さを低くすることができ、その分だけ外被５０の構造をコンパクトにすることができる。尚、押圧部位５０ｂ１１を含む部位のみを導電性ゴム５２から構成したが、突起５０ｂ１の全体を導電性ゴム５２から構成しても良く、あるいは第１部材５０ｂの全体を導電性ゴム５２から構成しても良い。

図１６はこの発明の第４実施例に係るロボットの外被の模式的な斜視図、図１７はその断面図である。

外被５０は、平坦な箇所に限られず、曲面あるいは湾曲している箇所にも配置可能である。前記したように、指先部、指部の中節リンク、即ち、指腹部などに外被５０を配置するとき、湾曲する指腹部の形状に沿い、触覚センサ５２が縦横にマトリクス状に連続した外被５０を配置することになる。

第４実施例はそのような外被に関するもので、具体的には図４に示す第２の指部３４の中節リンク３４ｂなどに配置するようにした。尚、図１６と図１７において、表皮の方向は図５とは逆に下方に示す。

図示の如く、外被５０は、第１実施例と同様、ベース５０ａに対して離散的に敷設された複数個の触覚センサ５２と、触覚センサ５２に対向する面に触覚センサ５２のそれぞれに向けて断面視において縮径された突起５０ｂ１が触覚センサ５２のそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材５０ｂ（第３層）と、第１部材より剛性において低い素材からなると共に、第１部材を包囲して支持する第２部材５０ｃ（第２層）と、第２部材５０ｃをベース５０ａに固定する固定具６４とを備える如く構成した。第１部材５０ｂの上方には導電性ゴム５２ａと電極部５２ｂが配置される。尚、図１６などでコーティング材（第１層）の図示は省略した。

第４実施例に係る外被５０にあっては、外被５０とベース５０ａは側面視において曲面であり、従って第１部材５０ｂなども側面視においても曲面を呈する。また、第１部材５０ｂに形成される、押圧部位５０ｂ１１を備えた突起５０ｂ１、即ち、触覚センサ５２は、相互に所定の間隔をおいて離散的に形成される。

さらに、第２部材５０ｃは、第１部材５０ｂを包囲して支持、より具体的には突起５０ｂ１の押圧部位５０ｂ１１を除く部位を包囲して支持すると共に、第２部材５０ｃは固定具６４を介してベース５０ａに固定される。即ち、固定具６４はリブ６４ａと孔６４ｂを備え、そのリブ６４ａが第２部材５０ｃに埋設されると共に、孔６４ｂを介して固定具６４をベース５０ａにネジ止めすることで、ベース５０ａに固定される。

第１部材５０ｂ、第２部材５０ｃの素材は、第１実施例の第１部材５０ｂと第２部材５０ｃのそれと異ならない。固定具６４は、例えば、ポリカーボネイドから製作される。尚、第４実施例においても、図１８に示す如く、第１部材５０ｂの突起５０ｂ１側を第１実施例と同様に第３部材５０ｄとしても良い。

図１９に示す如く、触覚センサ５２は縦横にマトリクス状に連続して配置される。それらの触覚センサ５２に印加された外力から実際の加圧点（接触点）を推定する場合を説明する。

触覚センサ５２のそれぞれの位置を座標（Ｐｉ，Ｐｊ）で示すと共に、その出力をＦｉｊとすると、実際の加圧点（Ｘｐ，Ｙｐ）は、周知の如く、図１９の下部に示す式に従って算出することができる。即ち、位置Ｐと力Ｆの積を力Ｆで除算して得た商から実際の圧力が作用する点（位置）を算出することができる。

第４実施例に係る外被５０は上記の如く、ベース５０ａに対して離散的に敷設された複数個の触覚センサ５２と、触覚センサ５２に対向する面に触覚センサ５２のそれぞれに向けて断面視において縮径された突起５０ｂ１が触覚センサ５２のそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材５０ｂと、第１部材５０ｂより剛性において低い素材からなると共に、第１部材５０ｂを包囲して支持する第２部材５０ｃと、第２部材５０ｃをベースに固定する固定具６４とを備える如く構成したので、第１実施例と同様、第２部材５０ｃに荷重が印加されるとき、よって生じる内部応力を触覚センサ５２のそれぞれに向けて断面視において縮径された突起が形成された第１部材５０ｂを介して触覚センサ５２の検出点に集中させることができ、外界との接触点を確実に推定することができる。

また、第１部材５０ｂを包囲して支持する第２部材５０ｃと、第２部材５０ｃをベース５０ａに固定する固定具６４とを備える如く構成したので、第２部材５０ｃをベース５０ａに確実に固定できると共に、第１部材５０ｂにはベース５０ａに対してある程度の自由度を与えることができる。

さらに、第１実施例と同様、第２部材５０ｂを備える如く構成したので、外界との接触による衝撃を緩和すると共に、接触面積を拡大することができ、ロボット１０が人の形状を模したヒューマノイド型のロボットであり、外被がそのハンド２０の外被であるときなど、ワーク（外界）の把持を容易にすることができる。より具体的には、ワークが大きい場合はその面にならうように、小さい場合はそれを包みこむことでワークを確実に把持することができる。さらに、第２部材５０ｃは第１部材５０ｂより剛性において低い素材からなる如く構成したので、接触面積を増加させて一層確実に把持することができる。

図２０はこの発明の第５実施例に係るロボットの外被の模式的な斜視図である。

第５実施例は第１実施例と同様、平坦な外被５０に関し、図示の如く、外被５０は、第４実施例と同様、ベース（図示せず）に対して離散的に敷設された複数個の触覚センサ５２と、触覚センサ５２に対向する面に触覚センサ５２のそれぞれに向けて断面視において縮径された突起５０ｂ１が触覚センサ５２のそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材５０ｂ（第３層）と、第１部材より剛性において低い素材からなると共に、第１部材を包囲して支持する第２部材５０ｃ（第２層）と、第２部材５０ｃをベース５０ａに固定する固定具６４とを備える如く構成した。第１部材５０ｂの上方には導電性ゴム５２ａと電極部５２ｂが配置される。

第５実施例は、第１部材５０ｂなどが平板である点を除くと第４実施例と構成が同様であり、効果も第４実施例と同様である。

尚、第４、第５実施例において触覚センサ５２を相互に所定の間隔をおいて離散的に配置したが、それと触覚センサ５２の形状について敷衍する。

図２１（ａ）は、触覚センサ５２の相互の間隔（離間距離）に対する第１部材５０ｂなどの硬度の関係を示すグラフであり、第４、第５実施例にあっては、図示の如く、触覚センサ５２の相互の間隔が増加するにつれ、第１部材５０ｂの強度を上げるため、硬度を増加させるのが望ましい。第２部材５０ｃの硬度を増加することでも同様の目的を達成することができるが、第１部材５０ｂの硬度を増加させることで、第２部材５０ｃは所期の硬度に止めることができる。

尚、同図（ｂ）に示す如く、硬度に代え、触覚センサ５２の相互の間隔が増加するにつれ、第１部材５０ｂの突起５０ｂ１を接続する部位の厚みｄを増加させても良い。

さらに、第１から第５実施例において、外被５０の表面を平坦にしたが、図２２に示す如く、凹凸（ディンプル）が形成されるようにしても良い。即ち、第２部材５０ｃの表面（上面）を凹凸形状とし、その上にコーティング材５０ｅを塗布することで、外被５０の外観として凹凸形状を呈するようにしても良い。これにより、摩擦係数が高められてワークなどの把持が一層容易となる。

さらには、凹凸（ディンプル）に代え、図２３に示すように直線の溝部を等間隔に多数形成して縞形状としても良く、あるいは図２４に示すように曲線の溝部を多数形成して人の指紋形状としても良い。さらには、外被５０の表面は、ナール状など他の凹凸形状としても良い。

また、上記において、外被５０の素材および硬度について具体的に説明したが、それらは例示であり、他の素材や硬度を使用することも可能である。

また、上記において、ロボット１０の例として２足歩行の脚式移動ロボットを例にとったが、ロボットはそれに限られるものではない。

この発明の第１実施例に係るロボットの外被が適用可能なロボットの正面図である。 図１に示すロボットの右側面図である。 図１に示すハンドを手の平側から見た平面図である。 図３に示す第２の指部の拡大分解斜視図である。 図３などに示す外被の構造を模式的に示す断面図および平面図である。 図４に示す指部の指先部付近における外被の外観を示す斜視図である。 図５に示す触覚センサの電極の構造を模式的に示す説明図である。 図７に示す電極を用いた触覚センサの検出回路の回路図である。 図５に示す外被の突起の構成を模式的に示す説明図である。 同様に、図５に示す外被の突起などの構成を模式的に示す説明図である。 図５などに示す外被にローラで一定の荷重を印加しながら、ローラを移動させた状態を示す説明図である。 図１１に示す状態でのセンサの出力電圧とそれから推定される接触点の推定を示す表である。 図１２に示す値をプロットしたグラフである。 この発明の第２実施例に係るロボットの外被を示す、図５と同様な外被の模式的な断面図である。 この発明の第３実施例に係るロボットの外被を示す、図５と同様な外被の模式的な断面図である。 この発明の第４実施例に係るロボットの外被の模式的な斜視図である。 図１６に示す第４実施例に係るロボットの外被の断面図である。 図１７と同様のロボットの外被の断面図である。 図１６に示す触覚センサに印加された外力から実際の加圧点（接触点）の推定を説明するための説明図である。 この発明の第５実施例に係るロボットの外被の模式的な斜視図である。 第４、第５実施例における触覚センサの相互の距離と第１部材などの硬度の関係を示すグラフ図などである。 図６と同様な外被の斜視図で、その変形例を示す説明図である。 図２２と同様な外被の変形例を示す説明図である。 図２２と同様な外被の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１０ ロボット、２０ ハンド、５０ 外被、５０ａ ベース、５０ｂ 第１部材（第３層）、５０ｂ１ 突起、５０ｂ１１ 押圧部位、５０ｃ 第２部材（第２層）、５０ｄ 第３部材（第４層）、５０ｄ１ 凹部、５０ｅ コーティング材（第１層）、５２ 触覚センサ、５２ａ 導電性ゴム、５２ｂ 電極部、５２ｂ１ 電極、６４ 固定具

Claims (7)

1. ベース上に離散的に敷設された複数個の触覚センサと、前記触覚センサの上方に配置されると共に、前記触覚センサに対向する面に、前記触覚センサのそれぞれに向けて断面視において縮径された突起が前記触覚センサのそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材と、および前記第１部材の上方に配置されると共に、前記第１部材より剛性において低い素材からなる第２部材とを備えることを特徴とするロボットの外被。
2. ベースに対して離散的に敷設された複数個の触覚センサと、前記触覚センサに対向する面に前記触覚センサのそれぞれに向けて断面視において縮径された突起が前記触覚センサのそれぞれを押圧可能に連続的に形成された第１部材と、前記第１部材より剛性において低い素材からなると共に、前記第１部材を包囲して支持する第２部材と、前記第２部材を前記ベースに固定する固定具とを備えることを特徴とするロボットの外被。
3. 前記突起はそれぞれ、前記触覚センサのそれぞれの電極の面積以上の面積を有する押圧部位をその先端に備えることを特徴とする請求項１または２記載のロボットの外被。
4. 前記突起はそれぞれ、円錐体形状または半球形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロボットの外被。
5. 前記第１部材と前記触覚センサの間に、前記第１部材より剛性において低い素材からなる第３部材を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のロボットの外被。
6. 前記第２部材の上面に、前記第２部材と摩擦係数において異なるコーティング材が塗布されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のロボットの外被。
7. 前記突起の押圧部位が、導電ゴム材からなることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のロボットの外被。

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