JP2017187399A - Tactile sensor and shearing force detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本件は、触覚センサおよびせん断力検出方法に関する。 The present case relates to a tactile sensor and a shearing force detection method.
ロボットの制御には、人間や周囲の物体を傷つけない様に、多くのセンサが必要とされている。その中で、物体との接触面に加わる圧力およびせん断力を検出する触覚センサが、重要となっている。例えば、ピエゾ抵抗素子を用いてせん断力を検出する触覚センサが開示されている(例えば、非特許文献1参照)。 Many sensors are required for controlling the robot so as not to damage humans and surrounding objects. Among them, a tactile sensor that detects pressure and shear force applied to a contact surface with an object is important. For example, a tactile sensor that detects a shear force using a piezoresistive element is disclosed (for example, see Non-Patent Document 1).
しかしながら、上記技術では、回転軸方向のせん断力を検出することができない。 However, the above technique cannot detect the shear force in the direction of the rotation axis.
1つの側面では、本発明は、回転軸方向のせん断力を検出することができる触覚センサおよびせん断力検出方法を提供することを目的とする。 In one aspect, an object of the present invention is to provide a tactile sensor and a shearing force detection method capable of detecting a shearing force in the rotation axis direction.
1つの態様では、触覚センサは、所定平面の所定領域の周辺において、当該所定領域の周方向の異なる位置に配置された1対の力検出素子と、前記1対の力検出素子の状態変化を電気信号として検出する検出回路と、を備え、前記検出回路は、前記所定領域において前記所定平面に対する垂直軸の回転方向にせん断力が印加される場合に、前記電気信号の強度を当該せん断力に応じて変化させるように構成されている。 In one aspect, the tactile sensor has a pair of force detection elements arranged at different positions in the circumferential direction of the predetermined area and a state change of the pair of force detection elements around the predetermined area of the predetermined plane. A detection circuit configured to detect an electrical signal, wherein the detection circuit converts the strength of the electrical signal to the shear force when a shear force is applied in a rotation direction of a vertical axis with respect to the predetermined plane in the predetermined region. It is comprised so that it may change according to it.
回転軸方向のせん断力を検出することができる。 A shearing force in the direction of the rotation axis can be detected.
以下、図面を参照しつつ、実施例について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
図1(a)は、実施例1に係るロボットシステム100の全体構成を例示する図である。図1(a)で例示するように、ロボットシステム100は、ロボットハンド10、触覚センサ素子20、検出回路30、制御部40などを備える。触覚センサ素子20および検出回路30が触覚センサとして機能する。
FIG. 1A is a diagram illustrating the overall configuration of the
ロボットハンド10は、把持部11によって対象物を把持し、離すことで、作業を行う。例えば、ロボットハンド10は、3軸方向への移動、水平旋回、垂直旋回などを行う。なお、図1(a)において、一例として、鉛直上方から見たロボットハンド10が描かれている。
The
触覚センサ素子20は、把持部11の対象物への接触面に配置されている。図1(b)で例示するように、触覚センサ素子20は、接触面21における接触力(Z軸方向の圧力)、X軸方向のせん断力、Y軸方向のせん断力、および回転軸方向のせん断力を検出する。回転軸方向のせん断力とは、Z軸を中心とする回転のせん断力である。ロボットハンド10が対象物を把持する際に、当該対象物の重心から外れた箇所を把持する場合には、回転軸方向のせん断力が働くことになる。したがって、回転軸方向のせん断力の検出が重要となる。検出回路30は、触覚センサ素子20の状態変化を電気信号として検出する回路である。検出回路30の検出結果は、制御部40に送信される。制御部40は、検出回路30の検出結果に基づいて、ロボットハンド10の動作を制御する。
The
図2(a)は、触覚センサ素子20の概略斜視図である。図2(a)で例示するように、触覚センサ素子20の接触面21には、弾性体22が設けられていてもよい。図2(b)は、触覚センサ素子20の概略平面図である。図2(a)および図2(b)では、弾性体22を透過している。図2(c)は、図2(b)の拡大図である。
FIG. 2A is a schematic perspective view of the
図2(c)で例示するように、触覚センサ素子20の接触面21の中央部が対象物と接触する接触部23である。接触面21は、XY平面に相当する。接触面21において、接触部23を中心にして、複数種からなる1対の力検出素子が放射状に配置されている。
As illustrated in FIG. 2C, the center portion of the
ここで、力検出素子の詳細について説明する。図3(a)で例示するように、力検出素子は、1対のピエゾ抵抗素子30a,30bを備える。ピエゾ抵抗素子30a,30bは、例えばY軸方向に長手方向を有する梁を備える。ピエゾ抵抗素子30aの梁には、例えばX軸マイナス側に弾性体31が配置され、X軸プラス側にピエゾ抵抗層32が配置されている。例えば、弾性体31は、シリコーン樹脂などである。ピエゾ抵抗層32は、例えば、Si単結晶に不純物をイオン注入、熱拡散などでドープしたものである。当該弾性体31とピエゾ抵抗層32とは接合されている。ピエゾ抵抗素子30bの梁には、X軸マイナス側にピエゾ抵抗層32が配置され、X軸プラス側に弾性体31が配置されている。当該ピエゾ抵抗層32と弾性体31とは接合されている。
Here, details of the force detection element will be described. As illustrated in FIG. 3A, the force detection element includes a pair of
力検出素子にX軸プラス方向の力が加わって梁に歪が生じる場合、図3(b)で例示するように、ピエゾ抵抗素子30aおよびピエゾ抵抗素子30bの梁は、湾曲してX軸プラス側に伸びるように撓む。この場合、ピエゾ抵抗素子30aにおいては、ピエゾ抵抗層32が引っ張られる。一方、ピエゾ抵抗素子30bにおいては、ピエゾ抵抗層32が圧縮する。このように、1対のピエゾ抵抗素子30a,30bにおいて、ピエゾ抵抗層32が、それぞれ引張力と圧縮力を受けることになる。すなわち、各ピエゾ抵抗層32の抵抗値が正負逆方向に増減する。この抵抗値変化を、図3(c)のようなブリッジ回路により計測することで、せん断力を検出することができる。
When a force in the X-axis plus direction is applied to the force detection element and the beam is distorted, as illustrated in FIG. 3B, the beams of the
図4は、図2(c)において、ピエゾ抵抗素子を抜き出して描いた図である。各ピエゾ抵抗素子は、接触面21において、接触部23の周辺に、周方向の異なる位置に配置されている。図4で例示するように、接触面21において、Y軸方向に沿って、接触部23に対して点対称に、弾性体31およびピエゾ抵抗層32がなす梁が放射状に延びるように、X軸方向のせん断力を検出する1対のピエゾ抵抗素子30xa,30xbが配置されている。ピエゾ抵抗素子30xaはY軸プラス側に配置されており、ピエゾ抵抗素子30xbはY軸マイナス側に配置されている。
FIG. 4 is a diagram illustrating the piezoresistive element extracted from FIG. Each piezoresistive element is arranged on the
ピエゾ抵抗素子30xaにおいては、X軸マイナス側に弾性体31が配置され、X軸プラス側にピエゾ抵抗層32が配置されている。ピエゾ抵抗素子30xbにおいては、X軸プラス側に弾性体31が配置され、X軸マイナス側にピエゾ抵抗層32が配置されている。すなわち、同一の周方向において、1対のピエゾ抵抗素子30xa,30xbの弾性体31とピエゾ抵抗層32との配置側が同じとなっている。同一の周方向とは、右回りまたは左回りのいずれか一方に統一した場合の周方向のことを意味する。この1対のピエゾ抵抗素子30xa,30xbにおいては、X軸方向のせん断力が加わった場合に各ピエゾ抵抗層32がそれぞれ引張力と圧縮力を受けることから、X軸方向のせん断力を検出することができる。
In the piezoresistive element 30xa, the
接触面21において、X軸方向に沿って、接触部23に対して点対称に、弾性体31およびピエゾ抵抗層32がなす梁が放射状に延びるように、Y軸方向のせん断力を検出する1対のピエゾ抵抗素子30ya,30ybが配置されている。ピエゾ抵抗素子30yaはX軸プラス側に配置されており、ピエゾ抵抗素子30ybはX軸マイナス側に配置されている。
On the
ピエゾ抵抗素子30yaにおいては、Y軸プラス側に弾性体31が配置され、Y軸マイナス側にピエゾ抵抗層32が配置されている。ピエゾ抵抗素子30ybにおいては、Y軸マイナス側に弾性体31が配置され、Y軸プラス側にピエゾ抵抗層32が配置されている。すなわち、同一の周方向において、1対のピエゾ抵抗素子30ya,30ybの弾性体31とピエゾ抵抗層32との配置側が同じとなっている。この1対のピエゾ抵抗素子30ya,30ybにおいては、Y軸方向のせん断力が加わった場合に各ピエゾ抵抗層32がそれぞれ引張力と圧縮力を受けることから、Y軸方向のせん断力を検出することができる。
In the piezoresistive element 30ya, the
接触面21において、いずれかの箇所において、接触部23に対して点対称に、弾性体31およびピエゾ抵抗層32がなす梁が放射状に延びるように1対のピエゾ抵抗素子30za,30zbが配置されている。ピエゾ抵抗素子30zaにおいては、Z軸プラス側に弾性体31が配置され、Z軸マイナス側にピエゾ抵抗層32が配置されている。ピエゾ抵抗素子30zbにおいては、Z軸マイナス側に弾性体31が配置され、Z軸プラス側にピエゾ抵抗層32が配置されている。すなわち、Z軸方向において、1対のピエゾ抵抗素子30za,30zbの弾性体31とピエゾ抵抗層32との配置側が逆となっている。この1対のピエゾ抵抗素子30za,30zbにおいては、Z軸方向のせん断力が加わった場合に各ピエゾ抵抗層32がそれぞれ引張力と圧縮力を受けることから、Z軸方向のせん断力を検出することができる。
A pair of piezoresistive elements 30za and 30zb are arranged at any location on the
接触面21において、いずれかの箇所において、接触部23に対して点対称に、弾性体31およびピエゾ抵抗層32がなす梁が放射状に延びるように1対のピエゾ抵抗素子30ra,30rbが配置されている。ピエゾ抵抗素子30ra,30rbのいずれにおいても、接触面21をピエゾ抵抗素子30ra,30rbを結ぶ線で分割した場合に同じ側に弾性体31が配置され、逆側にピエゾ抵抗層32が配置されている。すなわち、同一の周方向において、1対のピエゾ抵抗素子30ra,30rbの弾性体31とピエゾ抵抗層32との配置側が逆となっている。本実施例においては、一例として、ピエゾ抵抗素子30xaとピエゾ抵抗素子30ybとの間にピエゾ抵抗素子30raが配置され、ピエゾ抵抗素子30xbとピエゾ抵抗素子30yaとの間にピエゾ抵抗素子30rbが配置されている。ピエゾ抵抗素子30ra,30rbによるせん断力検出については後述する。
A pair of piezoresistive elements 30ra and 30rb are arranged at any location on the
なお、図2(c)で例示するように、ピエゾ抵抗素子30xa,30xb,30ya,30yb,30za,30zb,30ra,30rbの接触部23側端は、基準電圧Vsに接続された基準電極24に接続されている。各ピエゾ抵抗素子の他端は、それぞれ個別の電極25に接続されている。
In addition, as illustrated in FIG. 2C, the
図5は、例えば、ピエゾ抵抗素子30xa,30xbの検出結果を取得するためのホイートストンブリッジである。当該ホイートストンブリッジは、検出回路30の一部である。図5で例示するように、基準電圧Vsは、ピエゾ抵抗素子30xaとピエゾ抵抗素子30xbとの間に印加される。また、ピエゾ抵抗素子30xa,30xbは、2つの固定抵抗Rとともにホイートストンブリッジを構成する。ピエゾ抵抗素子30xa,30xbの抵抗変化によって変化する電圧値を検出することで、せん断力を検出することができる。ピエゾ抵抗素子30ya,30yb,30za,30zb,30ra,30rbについても、同様のホイートストンブリッジを構成することで、各せん断力を検出することができる。
FIG. 5 shows, for example, a Wheatstone bridge for obtaining detection results of the piezoresistive elements 30xa and 30xb. The Wheatstone bridge is a part of the
図6は、検出回路30を例示する図である。検出回路30は、各せん断力を検出するためのブリッジ回路を備える。ピエゾ抵抗素子30xa,30xbと、ピエゾ抵抗素子30ya,30ybと、ピエゾ抵抗素子30za,30zbと、ピエゾ抵抗素子30ra,30rbとに対して、それぞれホイートストンブリッジが構成されている。可変抵抗Rp_x1がピエゾ抵抗素子30xaに対応し、可変抵抗Rp_x2がピエゾ抵抗素子30xbに対応する。可変抵抗Rp_y1がピエゾ抵抗素子30yaに対応し、可変抵抗Rp_y2がピエゾ抵抗素子30ybに対応する。可変抵抗Rp_z1がピエゾ抵抗素子30zaに対応し、可変抵抗Rp_z2がピエゾ抵抗素子30zbに対応する。可変抵抗Rp_r1がピエゾ抵抗素子30raに対応し、可変抵抗Rp_r2がピエゾ抵抗素子30rbに対応する。
FIG. 6 is a diagram illustrating the
ピエゾ抵抗素子30xa,30xbが構成するホイートストンブリッジのアンプのAmp_xの出力Vx_outが、X軸方向のせん断力に相当する値である。ピエゾ抵抗素子30ya,30ybが構成するホイートストンブリッジのアンプのAmp_yの出力Vy_outが、Y軸方向のせん断力に相当する値である。ピエゾ抵抗素子30za,30zbが構成するホイートストンブリッジのアンプのAmp_zの出力Vz_outが、Z軸方向のせん断力に相当する値である。ピエゾ抵抗素子30ra,30rbが構成するホイートストンブリッジのアンプのAmp_rの出力Vr_outが、Z軸回転方向のせん断力に相当する値である。 The Amp_x output Vx_out of the Wheatstone bridge amplifier formed by the piezoresistive elements 30xa and 30xb is a value corresponding to the shearing force in the X-axis direction. The Amp_y output Vy_out of the Wheatstone bridge amplifier formed by the piezoresistive elements 30ya and 30yb is a value corresponding to the shearing force in the Y-axis direction. The Amp_z output Vz_out of the Wheatstone bridge amplifier formed by the piezoresistive elements 30za and 30zb is a value corresponding to the shearing force in the Z-axis direction. The output Vr_out of Amp_r of the Wheatstone bridge amplifier formed by the piezoresistive elements 30ra and 30rb is a value corresponding to the shearing force in the Z-axis rotation direction.
図7(a)および図7(b)は、触覚センサ素子20によるせん断力の検出について例示する図である。図7(a)は、触覚センサ素子20に対して、X軸マイナス側かつY軸マイナス側からX軸プラス側かつY軸プラス側に外力Fが加わる場合を例示する図である。すなわち、外力Fには、X軸プラス側への外力成分Fxと、Y軸プラス側への外力成分Fyとが含まれる。
FIG. 7A and FIG. 7B are diagrams illustrating the detection of shear force by the
図7(a)で例示するように、外力Fが触覚センサ素子20に加わる場合、ピエゾ抵抗素子30xa,30xbにおいては、外力成分Fxによって、ピエゾ抵抗層32がそれぞれ引張力と圧縮力を受ける。したがって、ピエゾ抵抗素子30xa,30xbは、X軸プラス側へのせん断力を検出する。また、ピエゾ抵抗素子30ya,30ybにおいては、外力成分Fyによって、ピエゾ抵抗層32がそれぞれ引張力と圧縮力を受ける。したがって、ピエゾ抵抗素子30ya,30ybは、Y軸プラス側へのせん断力を検出する。
As illustrated in FIG. 7A, when an external force F is applied to the
なお、ピエゾ抵抗素子30ra,30rbにおいては、両方のピエゾ抵抗層32が引張力を受けることになる。したがって、ピエゾ抵抗素子30ra,30rbは、せん断力を検出しない。
In the piezoresistive elements 30ra and 30rb, both
図7(b)は、Z軸を中心として外力として回転力Rが加わる場合を例示する図である。一例として、接触面21に対する平面視において、時計回りの回転力Rが加わる場合について検討する。
FIG. 7B is a diagram illustrating a case where a rotational force R is applied as an external force around the Z axis. As an example, a case where a clockwise rotational force R is applied in a plan view with respect to the
図7(b)で例示するように、回転力Rが触覚センサ素子20に加わる場合、ピエゾ抵抗素子30xa,30xbにおいては、回転力Rによって、両方のピエゾ抵抗層32がそれぞれ引張力を受ける。したがって、ピエゾ抵抗素子30xa,30xbは、せん断力を検出しない。ピエゾ抵抗素子30ya,30ybにおいても、回転力Rによって、両方のピエゾ抵抗層32が引張力を受ける。したがって、ピエゾ抵抗素子30ya,30ybもせん断力を検出しない。
As illustrated in FIG. 7B, when the rotational force R is applied to the
これに対して、ピエゾ抵抗素子30ra,30rbにおいては、ピエゾ抵抗層32がそれぞれ引張力および圧縮力を受けることになる。したがって、ピエゾ抵抗素子30ra,30rbは、Z軸回転方向のせん断力を検出する。
On the other hand, in the piezoresistive elements 30ra and 30rb, the
本実施例によれば、ピエゾ抵抗素子30ra,30rbが、接触面21の接触部23の周辺において、接触部23の周方向の異なる位置に配置されている。また、ピエゾ抵抗素子30ra,30rbの状態変化を電気信号として検出する検出回路30が備わっている。検出回路30は、接触部23において接触面21に対する垂直軸(Z軸)の回転方向にせん断力が印加される場合に、上記電気信号の強度を当該せん断力に応じて変化させるように構成されている。それにより、回転軸方向のせん断力を検出することができる。また、ピエゾ抵抗素子30ra,30rbの抵抗値変化を検出するため、温度変化や他軸との干渉をキャンセルすることが出来、安定した出力値を得ることができる。ピエゾ抵抗素子30xa,30xb,30ya,30yb,30za,30zbについても同様である。
According to the present embodiment, the
なお、本実施例においては、ピエゾ抵抗素子30ra,30rbは接触部23に対して点対称に配置されているが、それに限られない。ピエゾ抵抗素子30ra,30rbは、接触面21の接触部23の周辺において、接触部23の周方向の異なる位置に配置されていればよい。また、ピエゾ抵抗素子30xa,30xbは接触部23に対して点対称に配置されているが、それに限られない。ピエゾ抵抗素子30xa,30xbは、接触面21の接触部23を挟んでX軸と平行にならないように配置されていればよい。また、ピエゾ抵抗素子30ya,30ybは接触部23に対して点対称に配置されているがそれに限られない。ピエゾ抵抗素子30ya,30ybは、接触面21の接触部23を挟んでY軸と平行にならないように配置されていればよい。
In the present embodiment, the piezoresistive elements 30ra and 30rb are arranged point-symmetrically with respect to the
実施例1においては、ピエゾ抵抗素子を用いてせん断力を検出したが、それに限られない。外力が加わることによって容量値が変化するキャパシタを用いることで、せん断力を検出してもよい。実施例2においては、力検出素子としてキャパシタを用いる例について説明する。 In the first embodiment, the shear force is detected using a piezoresistive element, but the present invention is not limited to this. The shearing force may be detected by using a capacitor whose capacitance value changes when an external force is applied. In the second embodiment, an example in which a capacitor is used as a force detection element will be described.
図8(a)は、実施例2に係る触覚センサ素子20aの概略斜視図である。図8(a)で例示するように、触覚センサ素子20aの接触面21には、弾性体22が設けられている。図8(b)は、触覚センサ素子20aの概略平面図である。図8(a)および図8(b)では、弾性体22を透過している。図8(c)は、図8(b)の拡大図である。
FIG. 8A is a schematic perspective view of the
図8(c)で例示するように、触覚センサ素子20aの接触面21の中央部が対象物と接触する接触部23である。接触面21は、XY平面に相当する。接触面21において、接触部23を中心にして、複数種からなる1対の力検出素子が放射状に配置されている。
As illustrated in FIG. 8C, the central portion of the
ここで、力検出素子の詳細について説明する。図9で例示するように、力検出素子は、1対のキャパシタ40a,40bを備える。キャパシタ40a,40bは、それぞれ、電極41と電極42とが離間して対向している。それにより、キャパシタ40a,40bは、電気容量を有している。電極41と電極42とが近づくと、電気容量が大きくなる。一方、電極41と電極42とが離れると、電気容量が小さくなる。せん断力によって電極41と電極42との距離が変化することで得られる電気容量を検出することで、当該せん断力の大きさを検出することができる。
Here, details of the force detection element will be described. As illustrated in FIG. 9, the force detection element includes a pair of
例えば、図9で例示するLC回路において、発振・周波数検出回路の出力を検出することで、キャパシタ40a,40bの合計の電気容量Cを検出することができる。
For example, in the LC circuit illustrated in FIG. 9, the total electric capacity C of the
図10は、図8(c)において、キャパシタを抜き出して描いた図である。図10で例示するように、接触面21において、Y軸方向に沿って、接触部23に対して点対称に、放射状に延びるように1対のキャパシタ40xa,40xbが配置されている。キャパシタ40xaがY軸プラス側に配置され、キャパシタ40xbがY軸マイナス側に配置されている。
FIG. 10 is a diagram illustrating the capacitor extracted from FIG. As illustrated in FIG. 10, on the
キャパシタ40xa,40xbにおいては、X軸プラス側の電極41が固定され、X軸マイナス側の電極42がY軸方向に湾曲可能に配置されている。すなわち、同一の周方向に対して、キャパシタ40xa,xbは、電極41と電極42との配置側が逆となっている。この1対のキャパシタ40xa,40xbにおいては、X軸プラス方向のせん断力が加わった場合に電極42が電極41側に近づくことから、キャパシタ40xa,40xbの電気容量が大きくなる。一方、X軸マイナス方向のせん断力が加わった場合に電極42が電極41から離れることから、キャパシタ40xa,40xbの電気容量が小さくなる。すなわち、X軸方向のせん断力を検出することができる。
In the capacitors 40xa and 40xb, the X-axis plus
接触面21において、X軸方向に沿って、接触部23に対して点対称に、放射状に延びるように1対のキャパシタ40ya,40ybが配置されている。キャパシタ40ya,40ybにおいては、Y軸プラス側の電極41が固定され、Y軸マイナス側の電極42がY軸方向において湾曲可能に配置されている。すなわち、同一の周方向に対して、キャパシタ40ya,ybは、電極41と電極42との配置側が逆となっている。この1対のキャパシタ40ya,40ybにおいては、Y軸プラス方向のせん断力が加わった場合に電極42が電極41側に近づくことから、キャパシタ40ya,40ybの電気容量が大きくなる。一方、Y軸マイナス方向のせん断力が加わった場合に電極42が電極41から離れることから、キャパシタ40ya,40ybの電気容量が小さくなる。すなわち、Y軸方向のせん断力を検出することができる。
On the
接触面21において、いずれかの箇所において、接触部23に対して点対称に、放射状に延びるように1対のキャパシタ40za,40zbが配置されている。キャパシタ40za,40zbにおいては、電極41,42が固定され、電極41と電極42との間に配置された電極43がZ軸方向に湾曲可能に配置されている。すなわち、Z軸に対して、キャパシタ40za,40zbは、第1電極と第2電極との配置側が同じとなっている。この1対のキャパシタ40za,40zbにおいては、Z軸マイナス方向にせん断力が加わった場合に、電極43がZ軸マイナス方向に湾曲することで、電極41と電極43との対向面積および電極42と電極43との対向面積が減少する。それにより、キャパシタ40za,40zbの電気容量が小さくなる。すなわち、Z軸方向のせん断力を検出することができる。
A pair of capacitors 40za and 40zb are arranged at any location on the
接触面21において、いずれかの箇所において、接触部23に対して点対称に、放射状に延びるように1対のキャパシタ40ra,40rbが配置されている。キャパシタ40raにおいては、接触面21をキャパシタ40ra,40rbを結ぶ線で分割した場合に一方側に電極41が固定され、他方側に電極42が湾曲可能に配置されている。キャパシタ40rbにおいては、当該他方側に電極41が固定され、他方側に電極42が湾曲可能に配置されている。すなわち、同一の周方向に対して、キャパシタ40ra,40rbは、電極41と電極42との配置側が同じとなっている。本実施例においては、一例として、キャパシタ40xaとキャパシタ40ybとの間にキャパシタ40raが配置され、キャパシタ40xbとキャパシタ40yaとの間にキャパシタ40rbが配置されている。キャパシタ40ra,40rbのせん断力検出については後述する。
A pair of capacitors 40ra and 40rb is arranged at any location on the
図11は、本実施例に係る検出回路30を例示する図である。図11で例示するように、検出回路30は、各せん断力を検出するためのLC回路を備える。キャパシタ40xa,40xbと、キャパシタ40ya,40ybと、キャパシタ40za,40zbと、キャパシタ40ra,40rbとに対して、それぞれLC回路が構成されている。可変容量Cx1がキャパシタ40xaの電気容量に対応し、可変容量Cx2がキャパシタ40xbの電気容量に対応する。可変容量Cy1がキャパシタ40yaの電気容量に対応し、可変容量Cy2がキャパシタ40ybの電気容量に対応する。可変容量抵抗Cr1がキャパシタ40raの電気容量に対応し、可変容量Cr2がキャパシタ40rbの電気容量に対応する。可変容量Cz1aがキャパシタ40zaの電極41と電極43との間の電気容量に対応する。可変容量Cz1bがキャパシタ40zaの電極42と電極43との間の電気容量に対応する。可変容量Cz2aがキャパシタ40zbの電極41と電極43との間の電気容量に対応する。可変容量Cz2bがキャパシタ40zbの電極42と電極43との間の電気容量に対応する。
FIG. 11 is a diagram illustrating the
キャパシタ40xa,40xbのLC回路の発振・周波数検出回路の出力Vx_outが、X軸方向のせん断力に対応する値である。キャパシタ40ya,40ybのLC回路の発振・周波数検出回路の出力Vy_outが、Y軸方向のせん断力に対応する値である。キャパシタ40za,40zbのLC回路の発振・周波数検出回路の出力Vz_outが、Z軸方向のせん断力に対応する値である。キャパシタ40ra,40rbのLC回路の発振・周波数検出回路の出力Vr_outが、Z軸回転方向のせん断力に対応する値である。 The output Vx_out of the oscillation / frequency detection circuit of the LC circuit of the capacitors 40xa and 40xb is a value corresponding to the shearing force in the X-axis direction. The output Vy_out of the oscillation / frequency detection circuit of the LC circuit of the capacitors 40ya and 40yb is a value corresponding to the shearing force in the Y-axis direction. The output Vz_out of the oscillation / frequency detection circuit of the LC circuit of the capacitors 40za and 40zb is a value corresponding to the shearing force in the Z-axis direction. The output Vr_out of the oscillation / frequency detection circuit of the LC circuit of the capacitors 40ra and 40rb is a value corresponding to the shearing force in the Z-axis rotation direction.
図12(a)および図12(b)は、触覚センサ素子20aによるせん断力の検出について例示する図である。図12(a)は、触覚センサ素子20aに対して、X軸マイナス側かつY軸マイナス側からX軸プラス側かつY軸プラス側に外力Fが加わる場合を例示する図である。すなわち、外力Fには、X軸プラス側への外力成分Fxと、Y軸プラス側への外力成分Fyとが含まれる。
FIGS. 12A and 12B are diagrams illustrating the detection of shear force by the
図12(a)で例示するように、外力Fが触覚センサ素子20aに加わる場合、キャパシタ40xaにおいては電極42が電極41側に湾曲することによって、電気容量Cx1が大きくなる(Cx1+ΔCx1)。キャパシタ40xbにおいても電極42が電極41側に湾曲することによって、電気容量Cx2が大きくなる(Cx2+ΔCx2)。ΔCx1+ΔCx2は大きい値となるため、キャパシタ40xa,40xbは、X軸プラス側へのせん断力を検出する。
As illustrated in FIG. 12A, when the external force F is applied to the
キャパシタ40yaにおいては電極42が電極41側に湾曲することによって、電気容量Cy1が大きくなる(Cy1+ΔCy1)。キャパシタ40ybにおいても電極42が電極41側に湾曲することによって、電気容量Cy2が大きくなる(Cy2+ΔCy2)。ΔCy1+ΔCy2は大きい値となるため、キャパシタ40ya,40ybは、Y軸プラス側へのせん断力を検出する。
In the capacitor 40ya, the
なお、キャパシタ40raにおいては、電極42が電極41側に湾曲することによって、電気容量Cr1が大きくなる(Cr1+ΔCr1)。一方、キャパシタ40rbにおいては、電極42が電極41と反対側に湾曲することによって、電気容量Cr2が小さくなる(Cr2−ΔCr2)。ΔCr1とΔCr2とは略同一であるため、キャパシタ40ra,40rbは、せん断力を検出しない。
In the capacitor 40ra, the electric capacity Cr1 is increased (Cr1 + ΔCr1) by bending the
図12(b)は、Z軸を中心として外力として回転力Rが加わる場合を例示する図である。一例として、接触面21に対する平面視において、時計回りの回転力が加わる場合について検討する。
FIG. 12B is a diagram illustrating a case where a rotational force R is applied as an external force around the Z axis. As an example, consider a case where a clockwise rotational force is applied in a plan view with respect to the
図12(b)で例示するように、回転力Rが触覚センサ素子20aに加わる場合、キャパシタ40xaにおいては、回転力Rによって電極42が電極41側に湾曲する。それにより、電気容量Cx1が大きくなる(Cx1+ΔCx1)。キャパシタ40xbにおいては、回転力Rによって電極42が電極41と反対側に湾曲する。それにより、電気容量Cx2が小さくなる(Cx2−ΔCx2)。ΔCx1とΔCx2とは略同一であるため、キャパシタ40xa,40xbは、せん断力を検出しない。
As illustrated in FIG. 12B, when the rotational force R is applied to the
キャパシタ40yaにおいては、回転力Rによって電極42が電極41と反対側に湾曲する。それにより、電気容量Cy1が小さくなる(Cy1−ΔCy1)。キャパシタ40ybにおいては、回転力Rによって電極42が電極41側に湾曲する。それにより、電気容量Cy2が大きくなる(Cy2+ΔCy2)。ΔCy1とΔCy2とは略同一であるため、キャパシタ40ya,40ybは、せん断力を検出しない。
In the capacitor 40ya, the
キャパシタ40raにおいては、回転力Rによって電極42が電極41側に湾曲する。それにより、電気容量Cr1が大きくなる(Cr1+ΔCr1)。キャパシタ40rbにおいては、回転力Rによって電極42が電極41側に湾曲する。それにより、電気容量Cr2も大きくなる(Cr2+ΔCr2)。ΔCr1+ΔCr2は大きい値となるため、キャパシタ40ra,40rbはせん断力を検出する。
In the capacitor 40ra, the
図13(a)は、触覚センサ素子20aに対して外力Fが加わる場合のキャパシタ40za,40zbの検出を例示する図である。図13(a)においては、外力Fは、X軸マイナス側かつY軸プラス側からX軸プラス側かつY軸マイナス側への力である。
FIG. 13A is a diagram illustrating detection of the capacitors 40za and 40zb when an external force F is applied to the
図13(a)で例示するように、外力Fが触覚センサ素子20aに加わる場合、キャパシタ40zaにおいては、電極43が電極42側に湾曲することから、電極41と電極42との間の電気容量Cz1aは小さくなり(Cz1a−ΔCz1a)、電極42と電極43との間の電気容量Cz1bは大きくなる(Cz1b+ΔCz1b)。キャパシタ40zbにおいては、電極43が電極41側に湾曲することから、電極41と電極43との間の電気容量Cz2aが大きくなり(Cz2a+ΔCz2a)、電極42と電極43との間の電気容量Cz2bは小さくなる(Cz2b−ΔCz2b)。ΔCz1aとΔCz1bとΔCz1aとΔCz1bとは略同一であるため、キャパシタ40za,40zbはせん断力を検出しない。
As illustrated in FIG. 13A, when the external force F is applied to the
図13(b)は、触覚センサ素子20aに対して回転力Rが加わる場合のキャパシタ40za,40zbの検出を例示する図である。図13(b)で例示するように、回転力Rが触覚センサ素子20aに加わる場合、キャパシタ40zaにおいては、電極43が電極42側に湾曲することから、電極41と電極43との間の電気容量Cz1aは小さくなり(Cz1a−ΔCz1a)、電極42と電極43との間の電気容量Cz1bは大きくなる(Cz1b+ΔCz1b)。キャパシタ40zbにおいては、電極43が電極42側に湾曲することから、電極41と電極43との間の電気容量Cz2aが小さくなり(Cz2a−ΔCz2a)、電極42と電極43との間の電気容量Cz2bは大きくなる(Cz2b+ΔCz2b)。ΔCz1aとΔCz1bとΔCz1aとΔCz1bとは略同一であるため、キャパシタ40za,40zbはせん断力を検出しない。
FIG. 13B is a diagram illustrating detection of the capacitors 40za and 40zb when the rotational force R is applied to the
図13(d)および図13(e)は、図13(c)のキャパシタ40zaのA−A線断面図である。Z軸方向に外力が加わらなければ、電極43は湾曲しない。それにより、図13(d)で例示するように、キャパシタ40zaの電気容量は変化しない。図13(e)で例示するように、Z軸マイナス方向に外力が加わると、電極43がZ軸マイナス側に湾曲する。それにより、電極41と電極42との間の対向面積が減少するため電気容量Cz1aが小さくなり(Cz1a−ΔCz1a)、電極43と電極42との間の対向面積が減少するため電気容量Cz1bも小さくなる(Cz1b−ΔCz1b)。キャパシタ40zbにおいても、同様に、電極41と電極43との間の電気容量および電極42と電極43との間の電気容量が減少する。したがって、Z軸方向のせん断力を検出することができる。
FIGS. 13D and 13E are cross-sectional views taken along line AA of the capacitor 40za in FIG. If no external force is applied in the Z-axis direction, the
本実施例によれば、キャパシタ40ra,40rbが、接触面21の接触部23の周辺において、接触部23の周方向の異なる位置に配置されている。また、キャパシタ40ra,40rbの状態変化を電気信号として検出する検出回路30が備わっている。検出回路30は、接触部23において接触面21に対する垂直軸(Z軸)の回転方向にせん断力が印加される場合に、上記電気信号の強度を当該せん断力に応じて変化させるように構成されている。それにより、回転軸方向のせん断力を検出することができる。また、キャパシタ40ra,40rbの電気容量変化を検出するため、温度変化や他軸との干渉をキャンセルすることが出来、安定した出力値を得ることができる。キャパシタ40xa,40xb,40ya,40yb,40za,40zbについても同様である。
According to the present embodiment, the
なお、本実施例においては、キャパシタ40ra,40rbは接触部23に対して点対称に配置されているが、それに限られない。キャパシタ40ra,40rbは、接触面21の接触部23の周辺において、接触部23の周方向の異なる位置に配置されていればよい。また、キャパシタ40xa,40xbは接触部23に対して点対称に配置されているが、それに限られない。キャパシタ40xa,40xbは、接触面21の接触部23を挟んでX軸と平行にならないように配置されていればよい。また、キャパシタ40ya,40ybは接触部23に対して点対称に配置されているがそれに限られない。キャパシタ40ya,40ybは、接触面21の接触部23を挟んでY軸と平行にならないように配置されていればよい。
In the present embodiment, the capacitors 40ra and 40rb are arranged point-symmetrically with respect to the
(変形例1)
図14(a)および図14(b)は、変形例1について説明するための図である。図14(a)で例示するように、触覚センサ素子20の接触面21には弾性体22が設けられているが、弾性体22の形状はこれに限られない。例えば、図14(b)で例示するように、接触部23に対応する箇所に、弾性体の凸部22aを設けてもよい。例えば、凸部22aは半球状の形状を有する。凸部22aを設けることによって、対象物と触覚センサ素子20との接触時の回転中心が一致しやすくなる。それにより、各力検出素子の安定した出力値を得ることができる。
(Modification 1)
FIG. 14A and FIG. 14B are diagrams for explaining the first modification. As illustrated in FIG. 14A, an
(変形例2)
図15は、変形例2にかかるロボットシステムについて例示する図である。上記各例においては、制御部40は、触覚センサ素子20から各せん断力を検出している。これに対して、制御部40の機能を有するサーバ202が、インターネットなどの電気通信回線201を通じて触覚センサ素子20から各せん断力を取得してもよい。
(Modification 2)
FIG. 15 is a diagram illustrating a robot system according to the second modification. In each example described above, the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 ロボットハンド
20 触覚センサ素子
21 接触面
22 弾性体
23 接触部
30 検出回路
30xa,30xb,30ya,30yb,30za,30zb,30ra,30rb ピエゾ抵抗素子
40 制御部
40xa,40xb,40ya,40yb,40za,40zb,40ra,40rb キャパシタ
100 ロボットシステム
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記1対の力検出素子の状態変化を電気信号として検出する検出回路と、を備え、
前記検出回路は、前記所定領域において前記所定平面に対する垂直軸の回転方向にせん断力が印加される場合に、前記電気信号の強度を当該せん断力に応じて変化させるように構成されていることを特徴とする触覚センサ。 A pair of force detection elements arranged at different positions in the circumferential direction of the predetermined area around the predetermined area of the predetermined plane;
A detection circuit that detects a change in state of the pair of force detection elements as an electrical signal;
The detection circuit is configured to change the intensity of the electric signal according to the shearing force when a shearing force is applied in a rotation direction of a vertical axis with respect to the predetermined plane in the predetermined region. A featured tactile sensor.
前記回転方向のせん断力が印加された場合に、前記第1の1対のピエゾ抵抗素子の一方のピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗層が引張力を受け、他方のピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗層が圧縮力を受けるように構成されていることを特徴とする請求項1記載の触覚センサ。 The pair of force detection elements are a first pair of piezoresistive elements,
When a shearing force in the rotational direction is applied, the piezoresistive layer of one piezoresistive element of the first pair of piezoresistive elements receives a tensile force and the piezoresistive layer of the other piezoresistive element is compressed. The tactile sensor according to claim 1, wherein the tactile sensor is configured to receive a force.
同一の前記周方向に対して、前記第1の1対のピエゾ抵抗素子の弾性体とピエゾ抵抗層との配置側が逆であることを特徴とする請求項2記載の触覚センサ。 The first pair of piezoresistive elements has a structure in which the piezoresistive layer and an elastic body are joined to each other.
The tactile sensor according to claim 2, wherein the arrangement side of the elastic body and the piezoresistive layer of the first pair of piezoresistive elements is reversed with respect to the same circumferential direction.
前記第2の1対のピエゾ抵抗素子は、前記所定平面において前記所定領域を挟んで配置され、同一の前記周方向に対して、前記弾性体と前記ピエゾ抵抗層との配置側が同じとなるように配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の触覚センサ。 A second pair of piezoresistive elements comprising an elastic body and a piezoresistive layer joined together;
The second pair of piezoresistive elements are arranged across the predetermined region on the predetermined plane, and the arrangement side of the elastic body and the piezoresistive layer is the same in the same circumferential direction. The tactile sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the tactile sensor is disposed on the touch sensor.
前記第3の1対のピエゾ抵抗素子は、前記垂直軸方向において前記弾性体と前記ピエゾ抵抗層との配置側が逆となるように配置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の触覚センサ。 A third pair of piezoresistive elements comprising an elastic body and a piezoresistive layer joined together,
The third pair of piezoresistive elements are arranged such that arrangement sides of the elastic body and the piezoresistive layer are reversed in the vertical axis direction. The tactile sensor according to claim 1.
前記第1の1対のキャパシタは、前記回転方向のせん断力が印加された場合の電気容量の増減が同一方向となるように構成されていることを特徴とする請求項1記載の触覚センサ。 The pair of force detection elements is a first pair of capacitors;
2. The tactile sensor according to claim 1, wherein the first pair of capacitors are configured such that an increase or decrease in capacitance is the same direction when a shearing force in the rotational direction is applied.
同一の前記周方向に対して、前記第1の1対のキャパシタの前記第1電極および前記第2電極の配置側が同じであることを特徴とする請求項7記載の触覚センサ。 The first pair of capacitors includes a first electrode fixed at both ends, and a second electrode opposite to the first electrode and fixed at one end and not fixed at the other end,
The tactile sensor according to claim 7, wherein the first electrode and the second electrode of the first pair of capacitors are disposed on the same circumferential direction in the same circumferential direction.
前記第2の1対のキャパシタは、前記所定平面において前記所定領域を挟んで配置され、同一の前記周方向に対して、前記第1電極と前記第2電極との配置側が逆となるように配置されていることを特徴とする請求項1,7,8のいずれか一項に記載の触覚センサ。 A second pair of capacitors comprising a first electrode having both ends fixed, and a second electrode facing the first electrode and having one end fixed and the other end not fixed;
The second pair of capacitors are arranged on the predetermined plane with the predetermined region interposed therebetween, and the arrangement side of the first electrode and the second electrode is reversed with respect to the same circumferential direction. The tactile sensor according to claim 1, wherein the tactile sensor is arranged.
前記第3の1対のキャパシタは、前記垂直軸に対して前記第1電極と前記第2電極との配置側が同じとなるように配置されていることを特徴とする請求項1,7〜9のいずれか一項に記載の触覚センサ。 A third pair of capacitors comprising a first electrode having both ends fixed, and a second electrode facing the first electrode and having one end fixed and the other end not fixed;
10. The third pair of capacitors are arranged such that arrangement sides of the first electrode and the second electrode are the same with respect to the vertical axis. The tactile sensor according to any one of the above.
前記1対のピエゾ抵抗素子は、互いに接合された弾性体およびピエゾ抵抗層を備え、
同一の前記周方向に対して、前記1対のピエゾ抵抗素子の弾性体とピエゾ抵抗層との配置側が逆であることを特徴とする触覚センサ。 A pair of piezoresistive elements arranged at different positions in the circumferential direction of the predetermined area around the predetermined area of the predetermined plane;
The pair of piezoresistive elements includes an elastic body and a piezoresistive layer bonded to each other,
A tactile sensor, wherein the arrangement side of the elastic body and the piezoresistive layer of the pair of piezoresistive elements is reversed with respect to the same circumferential direction.
前記1対のキャパシタは、両端が固定された第1電極と、前記第1電極と対向して一端が固定され他端が固定されていない第2電極と、を備え、
同一の前記周方向に対して、前記1対のキャパシタの前記第1電極および前記第2電極の配置側が同じであることを特徴とする触覚センサ。 A pair of capacitors arranged at different positions in the circumferential direction of the predetermined region around the predetermined region of the predetermined plane;
The pair of capacitors includes a first electrode fixed at both ends, and a second electrode opposite to the first electrode and fixed at one end and not fixed at the other end,
The tactile sensor according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode of the pair of capacitors are arranged in the same circumferential direction.
前記弾性体は、前記所定領域上に凸部を備えることを特徴とする請求項12または13記載の触覚センサ。 An elastic body on the predetermined plane;
The tactile sensor according to claim 12 or 13, wherein the elastic body includes a convex portion on the predetermined region.
変化させた後の前記電気信号の強度を検出する、ことを特徴とするせん断力検出方法。 In a tactile sensor in which a pair of force detection elements are arranged at different positions in the circumferential direction of the predetermined area around the predetermined area of the predetermined plane, a shear force is applied in the rotation direction of the vertical axis with respect to the predetermined plane in the predetermined area When it is, the intensity of the electrical signal detected as a state change of the pair of force detection elements is changed according to the shear force,
A method of detecting a shear force, comprising: detecting an intensity of the electrical signal after being changed.
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