JP2018155711A - Sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、産業用ロボットなどの自動装置の移動部と検出対象の接触を検出するセンサ装置に関するものである。 The present invention relates to a sensor device that detects contact between a moving unit of an automatic device such as an industrial robot and a detection target.
従来から、例えば産業の自動化の推進によって、工場などでは産業用ロボットや産業用車両などの自動装置が一般的に用いられている。このような自動装置は、産業用ロボットのアームなどのように、全体乃至は一部が所定の作業を実行するために移動可能とされた移動部とされている。 Conventionally, automatic devices such as industrial robots and industrial vehicles are generally used in factories and the like by, for example, promoting industrial automation. Such an automatic device is a moving unit that is movable in order to perform a predetermined operation, such as an arm of an industrial robot.
ところで、自動装置の採用が増えるに従って、人間の作業者と同じ空間で作業を行う協働ロボットなどの自動装置に対して、安全性の向上なども必要となってきている。例えば、産業用ロボットと作業者が同じ空間で作業を行う場合には、産業用ロボットのアームなどが動く際に、アームなどが人体や作業者が使う工具などの物体と衝突することによる事故の発生を防止し、接触時に作業者の怪我やアーム又は工具などの損傷を回避することが重要である。 By the way, as the adoption of automatic devices increases, it has become necessary to improve the safety of automatic devices such as collaborative robots that perform work in the same space as human workers. For example, when an industrial robot and an operator work in the same space, when the arm of an industrial robot moves, the arm collides with a human body or an object such as a tool used by the operator. It is important to prevent occurrence and avoid injury to the operator and damage to the arm or tool during contact.
そこで、特開2003−71778号公報(特許文献1)には、ロボットアームのリンクの表面にスペーサを取り付けると共に、スペーサの表面に触覚センサーを取り付けて、触覚センサーの検出結果に基づいてロボットアームを制御することで、衝突を回避し得る構造が開示されている。また、特許文献1では、スペーサを柔軟な部材により構成することで、スペーサに緩衝作用を持たせることも提案されている。 Therefore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-71778 (Patent Document 1), a spacer is attached to the surface of the link of the robot arm, a tactile sensor is attached to the surface of the spacer, and the robot arm is attached based on the detection result of the tactile sensor. The structure which can avoid a collision by controlling is disclosed. Patent Document 1 also proposes that the spacers have a buffering action by constituting the spacers with flexible members.
しかしながら、柔軟な部材によりスペーサが構成されていると、スペーサの柔軟性の程度によって、スペーサの変形が触覚センサーの検出精度に影響して、人体や物体のロボットアームへの衝突を有効に検出できなくなったり、人体や物体の衝突時の衝撃を十分に低減できなくなったりするおそれがあった。 However, if the spacer is composed of flexible members, depending on the degree of flexibility of the spacer, the deformation of the spacer affects the detection accuracy of the tactile sensor and can effectively detect a collision of a human body or an object with the robot arm. There is a possibility that the impact at the time of collision of a human body or an object cannot be sufficiently reduced.
本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、感圧センサによる作業者などの検出が精度よく実現されて、自動装置と作業者などとの強度な衝突が感圧センサの検出結果に基づいて回避されると共に、作業者などが自動装置に接触する際の作用力が十分に低減される、新規な構造のセンサ装置を提供することにある。 The present invention has been made in the background of the above-mentioned circumstances, and its solution is to accurately detect a worker or the like by a pressure sensor, and to perform a strong collision between the automatic device and the worker or the like. Therefore, it is intended to provide a sensor device having a novel structure in which an action force when an operator or the like contacts an automatic device is sufficiently reduced.
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。 Hereinafter, the aspect of this invention made | formed in order to solve such a subject is described. In addition, the component employ | adopted in each aspect as described below is employable by arbitrary combinations as much as possible.
すなわち、本発明の第一の態様は、自動装置に設けられた移動可能な移動部と検出対象の接触を検出するセンサ装置であって、前記移動部に対する前記検出対象の接触を検出する柔軟な感圧センサが配されており、該感圧センサが、弾性変形可能とされた誘電体層の両面に伸縮変形可能とされた第一の電極と第二の電極の各一方が固着された構造を有しており、それら第一の電極と第二の電極の該誘電体層を介した対向部分に対して対向方向に作用する圧力を静電容量値の変化に基づいて検出する静電容量型センサとされていると共に、該感圧センサよりも該移動部に近い位置に弾性クッション層が配されており、該弾性クッション層の硬さが該感圧センサを構成する該誘電体層の硬さに対して75%〜500%とされていることを、特徴とする。 In other words, a first aspect of the present invention is a sensor device that detects contact between a movable unit provided in an automatic device and a detection target, and is a flexible device that detects contact of the detection target with respect to the movement unit. A structure in which a pressure-sensitive sensor is provided, and each of the first electrode and the second electrode that is elastically deformable is fixed to both surfaces of the dielectric layer. A capacitance that detects a pressure acting in a facing direction on the facing portion of the first electrode and the second electrode through the dielectric layer based on a change in capacitance value The elastic cushion layer is disposed at a position closer to the moving part than the pressure sensor, and the hardness of the elastic cushion layer of the dielectric layer constituting the pressure sensor is The characteristic is that it is 75% to 500% of the hardness. That.
このような第一の態様に従う構造とされたセンサ装置によれば、弾性クッション層が移動部の外側に配されていることで、検出対象が移動部に接触する際に検出対象に作用する力が、弾性クッション層の緩衝性によって緩和される。しかも、弾性クッション層よりも外側に配される感圧センサが柔軟な構造とされていることにより、感圧センサが緩衝性に及ぼす影響が低減乃至は回避される。 According to the sensor device having the structure according to the first aspect, the force acting on the detection target when the detection target comes into contact with the movement unit because the elastic cushion layer is arranged outside the movement unit. Is mitigated by the cushioning properties of the elastic cushion layer. In addition, since the pressure-sensitive sensor disposed outside the elastic cushion layer has a flexible structure, the influence of the pressure-sensitive sensor on the buffering property is reduced or avoided.
さらに、弾性クッション層の硬さが感圧センサを構成する誘電体層の硬さに対して75%〜500%の範囲に設定されていることにより、弾性クッション層の緩衝性を十分に確保しながら、感圧センサに対する検出対象の接触を十分な感度で有効に検出することができる。 Furthermore, the cushioning property of the elastic cushion layer is sufficiently ensured by setting the hardness of the elastic cushion layer in the range of 75% to 500% with respect to the hardness of the dielectric layer constituting the pressure sensor. However, the contact of the detection target with respect to the pressure sensor can be effectively detected with sufficient sensitivity.
本発明の第二の態様は、第一の態様に記載されたセンサ装置において、前記弾性クッション層における前記移動部側の面が、該移動部の外面に対応する面形状とされており、該弾性クッション層が該移動部の外面に対して直接的に重ね合わされて取り付けられているものである。 According to a second aspect of the present invention, in the sensor device according to the first aspect, a surface of the elastic cushion layer on the side of the moving part is a surface shape corresponding to an outer surface of the moving part, The elastic cushion layer is attached so as to be directly superimposed on the outer surface of the moving part.
第二の態様によれば、例えば移動部の外面に凹凸がある場合に、移動部の外面の凹凸が弾性クッション層によって覆われることから、弾性クッション層の外面を平坦面などの感圧センサを取り付け易い形状とすることで、感圧センサの取付けが容易になる。しかも、弾性クッション層における移動部への重ね合わせ面を、移動部の外面に対応する面形状とすることで、支持カバーを特別に設けることなく移動部の外面を覆って、感圧センサの取付けに適する面を得ることができる。 According to the second aspect, for example, when the outer surface of the moving unit is uneven, the outer surface of the moving unit is covered with the elastic cushion layer, so that the outer surface of the elastic cushion layer is a flat surface or the like. By making the shape easy to attach, the pressure-sensitive sensor can be easily attached. In addition, the overlapping surface of the elastic cushion layer on the moving part is a surface shape corresponding to the outer surface of the moving part, so that the outer surface of the moving part is covered without providing a special support cover, and the pressure sensor is attached. The surface suitable for can be obtained.
本発明の第三の態様は、第一の態様に記載されたセンサ装置において、前記移動部の外面を覆う支持カバーが設けられており、該支持カバーの外面に前記弾性クッション層が取り付けられているものである。 According to a third aspect of the present invention, in the sensor device described in the first aspect, a support cover that covers an outer surface of the moving unit is provided, and the elastic cushion layer is attached to the outer surface of the support cover. It is what.
第三の態様によれば、例えば移動部の外面に凹凸がある場合に、移動部の外面の凹凸が支持カバーによって覆われることから、支持カバーの外面を平面などの弾性クッション層を取り付け易い形状とすることで、弾性クッション層の取付けが容易になる。 According to the third aspect, for example, when the outer surface of the moving part has irregularities, the outer surface of the moving part is covered with the support cover, so that the elastic cushion layer such as a flat surface can be easily attached to the outer surface of the support cover. By doing, attachment of an elastic cushion layer becomes easy.
本発明の第四の態様は、第三の態様に記載されたセンサ装置において、前記移動部の外面と前記支持カバーの間に収容空間が形成されているものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the sensor device described in the third aspect, an accommodation space is formed between the outer surface of the moving part and the support cover.
第四の態様によれば、移動部と支持カバーの間に設けられた収容空間に対して、センサの検出回路などを配設することができる。更に、収容空間に配設された検出回路などの外側が支持カバーによって覆われることから、検出回路などの配設による凹凸が問題になるのを防いで、弾性クッション層や感圧センサを簡単に配設することができる。 According to the fourth aspect, a sensor detection circuit or the like can be disposed in the accommodation space provided between the moving unit and the support cover. Furthermore, since the outside of the detection circuit and the like disposed in the accommodation space is covered with the support cover, it is possible to prevent irregularities due to the arrangement of the detection circuit and the like from becoming a problem, and the elastic cushion layer and the pressure sensor can be easily configured. It can be arranged.
本発明の第五の態様は、第一〜第四の何れか1つの態様に記載されたセンサ装置において、前記移動部と前記感圧センサの間にシールド層が設けられているものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the sensor device described in any one of the first to fourth aspects, a shield layer is provided between the moving unit and the pressure-sensitive sensor.
第五の態様によれば、自動装置の移動部から発せられる電磁波などをシールド層によって遮ることで、電磁波などの感圧センサへの影響が低減乃至は回避されて、有効な検出を実現することができる。 According to the fifth aspect, the electromagnetic wave emitted from the moving part of the automatic device is shielded by the shield layer, so that the influence of the electromagnetic wave on the pressure sensor is reduced or avoided, and effective detection is realized. Can do.
本発明の第六の態様は、第一〜第五の何れか1つの態様に記載されたセンサ装置において、前記弾性クッション層の硬さが前記感圧センサを構成する前記誘電体層の硬さに対して100%以上とされているものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the sensor device according to any one of the first to fifth aspects, the hardness of the dielectric layer constituting the pressure-sensitive sensor is determined by the hardness of the elastic cushion layer. Is 100% or more.
第六の態様によれば、弾性クッション層が感圧センサの誘電体層と同じかそれよりも硬くされていることにより、検出対象の接触に対して感圧センサの誘電体層の変形が支配的に生ぜしめられることから、検出対象の接触が感圧センサによって一層精度よく検出される。 According to the sixth aspect, since the elastic cushion layer is the same as or harder than the dielectric layer of the pressure-sensitive sensor, the deformation of the dielectric layer of the pressure-sensitive sensor dominates the contact of the detection target. Therefore, the contact of the detection target is detected with higher accuracy by the pressure sensor.
本発明によれば、検出対象が移動部に接触する際に検出対象に作用する力が、弾性クッション層の緩衝性によって緩和されると共に、弾性クッション層よりも外側に配される感圧センサが柔軟な構造とされていることによって、感圧センサが緩衝性に及ぼす影響が低減乃至は回避される。更に、弾性クッション層の硬さが感圧センサを構成する誘電体層の硬さに対して75%〜500%の範囲に設定されていることにより、弾性クッション層の緩衝性を十分に確保しながら、感圧センサに対する検出対象の接触を十分な感度で有効に検出することができる。 According to the present invention, the force acting on the detection target when the detection target comes into contact with the moving part is alleviated by the cushioning property of the elastic cushion layer, and the pressure-sensitive sensor disposed outside the elastic cushion layer is provided. Due to the flexible structure, the influence of the pressure sensor on the buffering property is reduced or avoided. Furthermore, since the hardness of the elastic cushion layer is set in the range of 75% to 500% with respect to the hardness of the dielectric layer constituting the pressure sensor, the cushioning property of the elastic cushion layer is sufficiently ensured. However, the contact of the detection target with respect to the pressure sensor can be effectively detected with sufficient sensitivity.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1には、本発明の第一の実施形態としてのセンサ装置10を備えた自動装置としてのロボット12が示されている。ロボット12は、床14に固設された支持台16に対して移動部としてのアーム18が移動可能に取り付けられた構造を有しており、ロボット12に設けられたセンサ装置10が、アーム18と検出対象としての作業者Aとの接触を検出するようになっている。
FIG. 1 shows a
より詳細には、支持台16によって支持されたアーム18は、関節部で相互に接続されて相対傾動可能とされたリンク20a,20b,20c,20dを備えており、リンク20aが支持台16に対して傾動可能に接続されていると共に、リンク20dにはエンドエフェクタとして把持部22が設けられている。
More specifically, the
なお、本実施形態では、各リンク20a〜20dを接続する関節部分およびリンク20aと支持台16の接続部分が、何れも図1の紙面直交方向に延びる回動軸24を中心として傾動可能とされているが、ロボット12は、例えば、図1の上下方向や左右方向に延びる回動軸を中心とする傾動やリンク中心軸回りでのねじりなども可能とされ得る。また、アーム18のエンドエフェクタとして把持部22を例示したが、ロボット12が行う作業に応じて、吸引ハンドなどの各種公知のエンドエフェクタを採用することもできる。
In the present embodiment, the joint portion connecting the
また、支持台16には、第一のセンサ26が設けられている。第一のセンサ26は、支持台16から比較的に遠い位置の作業者Aを検出可能なセンサであって、例えばレーザーセンサや超音波センサなどとされており、支持台16から前方に向けてレーザー光や超音波を照射することで、前方から支持台16に接近する作業者Aを支持台16およびアーム18から離れた位置で検出することができる。第一のセンサ26が作業者Aを検出可能な第一の検出領域28は、図1に二点鎖線で示すように、支持台16から前方に向けて延びており、後述する第二の検出領域38および第三の検出領域56に比して、ロボット12からより遠い位置まで達している。更に、第一の検出領域28は、図1中の紙面直交方向に所定の幅で帯状に或いは扇状に広がっている。
Further, the
本実施形態では、第一のセンサ26が移動しない支持台16に設けられており、第一のセンサ26の第一の検出領域28が、アーム18が移動し得る範囲である危険領域29を含んで、危険領域29の周囲まで広がっている。これにより、第一のセンサ26は、図1に一点鎖線で示す危険領域29よりも外側で作業者Aを検出可能とされており、危険領域29に対する作業者Aの侵入よりも前に作業者Aを検出することができる。尤も、第一の検出領域28は、例えばアーム18の移動に伴って変化するように設定することもできる。
In the present embodiment, the
本実施形態の危険領域29は、所定の高さにおいて水平方向に延びるように設定されており、図1に一点鎖線で示すように支持台16の前方に設定されている。危険領域29は、必ずしもアーム18が移動可能で作業者Aとアーム18の衝突が生じ得る領域の全体である必要はなく、作業者Aとアーム18の衝突が生じ得る領域の一部であっても良い。具体的には、危険領域29は、例えば、作業者Aが接近し得るアーム18の前方だけに設定されていても良いし、高さ方向の一部だけに設定されていても良く、作業者Aの接近が問題にならないアーム18の上方には設定されない場合もある。そして、第一のセンサ26の第一の検出領域28が危険領域29よりも外側まで広がるように設定されていることにより、作業者Aとアーム18の接触より前に第一のセンサ26が作業者Aを検出することができる。
The
なお、第一のセンサ26は、支持台16に設けられるレーザーセンサ又は超音波センサに限定されるものではなく、目的とする第一の検出領域28を実現可能な各種公知のセンサを採用することができる。具体的には、例えば、ライトカーテンや光電センサなどを支持台16やその周囲に設ける他、支持台16の前側に位置する床14の表面にマット状の面圧センサを敷設することにより、作業者Aの支持台16への接近を検出する第一のセンサ26を構成することなども可能である。
The
また、図2に示すように、リンク20の外側には、それぞれシールド層30が設けられている。シールド層30は、シールド層30の内側に配されたアーム18から外側へ放射される電磁波などを遮るために設けられており、アーム18と後述する第二のセンサ36の間に配設されている。シールド層30は、例えば鉄や銅、アルミニウム合金などの導電性金属で形成されており、本実施形態では、例えば、金属粉末をゴムや合成樹脂などの基材に分散させてなる塗料によって、ポリエチレンテレフタレート(PET)などで形成された柔軟且つ絶縁性の樹脂フィルムである支持体32の表面に対して、シルクスクリーン印刷などの方法で形成されている。そして、シールド層30は、支持体32をリンク20の表面に貼り付けることにより、リンク20の外面を覆うように配されている。なお、シールド層30は、金属の薄板やメッシュで形成しても良いし、金属粉末を基材に分散させた塗料をリンク20の表面に直接吹き付けるなどして塗膜を形成することで得ることもできる。また、支持体32の厚さは、柔軟に変形可能とされていれば、特に限定されるものではない。
Further, as shown in FIG. 2, shield layers 30 are provided on the outer sides of the
また、シールド層30の外側には、弾性クッション層34が設けられている。弾性クッション層34は、ゴムや樹脂エラストマなどで形成されており、好適には、連続気泡又は独立気泡の発泡体、或いはそれら連続気泡と独立気泡の混在した発泡体とされている。弾性クッション層34の形成材料は、特に限定されないが、例えば、半硬質の発泡ウレタンなどが好適に採用され得る。尤も、弾性クッション層34は、非発泡のゴムや樹脂エラストマで形成されていても良い。
An
本実施形態の弾性クッション層34は、リンク20側となる内面35が、凹凸のあるリンク20の外面に対応する形状とされていると共に、リンク20と反対側となる外面が平面とされている。そして、弾性クッション層34は、リンク20の外面に対して直接的に重ね合わされた状態で、接着や機械的な係合、バンドによる締付けなどの手段でリンク20に取り付けられている。なお、本実施形態では、シールド層30および支持体32が弾性クッション層34とリンク20の間に配されているが、シールド層30および支持体32は何れも柔軟且つ十分に薄肉とされてリンク20の外面に沿って配されることから、弾性クッション層34は実質的にリンク20の外面に対して直接的に重ね合わされている。また、図2では、リンク20の外面の凹凸が概略的に図示されているが、リンク20の外面の凹凸は、例えば、アーム18の制御回路や配線の配設、リンク筐体のデザインやねじ止め構造などによって形成され得る。
In the
さらに、弾性クッション層34の外側には、第二のセンサ36が重ね合わされている。第二のセンサ36は、アーム18に対する作業者Aの接触を検出する柔軟な感圧センサであって、本実施形態では静電容量型の面状感圧センサが採用されている。なお、第二のセンサ36によって作業者Aを検出可能な第二の検出領域38は、図1,2に二点鎖線で示すように、第一のセンサ26の第一の検出領域28よりもアーム18に近い位置に設定されている。
Further, a
本実施形態の第二のセンサ36は、図3に示すように、誘電体層40の両面に対して、複数の第一の電極42を並列的に備える第一の電極シート44と、複数の第二の電極46を並列的に備える第二の電極シート48との各一方を重ね合わせて固着した構造を有している。
As shown in FIG. 3, the
誘電体層40は、ゴムや樹脂エラストマで形成された弾性変形可能なシート状の電気絶縁体であって、好適には、体積変化が殆ど生じない非発泡のゴムで形成されている。なお、誘電体層40は、後述する第一の電極シート44および第二の電極シート48に一体形成され得る。
The
さらに、誘電体層40は、弾性クッション層34に対して所定の硬さを有している。即ち、弾性クッション層34の硬さが、誘電体層40の硬さに対して、75%〜500%とされている。より好適には、弾性クッション層34の硬さが、誘電体層40の硬さに対して100%以上とされており、弾性クッション層34が誘電体層40と同じ硬さ乃至は誘電体層40よりも硬くされている。なお、弾性クッション層34と誘電体層40の硬さは、例えばJIS K6253−2に規定された「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−硬さの求め方」に基づいて特定することができる。
Furthermore, the
更にまた、誘電体層40の厚さは、弾性クッション層34の厚さよりも薄くされることが望ましい。なお、本実施形態では、誘電体層40の厚さが略5mmとされていると共に、弾性クッション層34の厚さが略20mmとされているが、各具体的な厚さ寸法は限定されない。前述のように、弾性クッション層34の硬さを誘電体層40の硬さに対して75%〜500%の範囲内に設定したことで、例えば弾性クッション層34を誘電体層40よりも厚くして弾性クッション層34による緩衝性能を高度に確保しつつ、後述する誘電体層40によるセンシング性能を良好に得ることが容易となる。
Furthermore, it is desirable that the thickness of the
第一の電極シート44は、電気絶縁性でシート状とされた基体50に対して、導電性を有する帯状の第一の電極42の複数が並列的に形成された構造を有している。第一の電極42は、ゴムなどの弾性材料にカーボンフィラーや金属粉などの導電材料を混合して形成されており、伸縮変形可能とされている。なお、第一の電極42は、基体50に対して、スクリーン印刷などによって形成され得る。
The
第二の電極シート48は、第一の電極シート44と同様に、電気絶縁性でシート状とされた基体50に対して、導電性で伸縮変形可能な帯状の第二の電極46が並列的に複数形成された構造を有している。第二の電極46の形成材料や基体50への形成方法などは、第一の電極42と同様である。
Similarly to the
そして、第一の電極シート44と第二の電極シート48が、誘電体層40に対して厚さ方向の各一方側から重ね合わされて、接着や溶着などの手段によって相互に固着されることにより、第二のセンサ36が形成されている。かかる誘電体層40と第一,第二の電極シート44,48の重ね合わせ状態において、第一の電極42の長手方向と第二の電極46の長手方向が互いに異なる方向とされており、それら第一の電極42と第二の電極46が誘電体層40を介して相互に交差対向している。これにより、第一の電極42と第二の電極46の交差対向部分には、対向方向に作用する圧力を静電容量の変化に基づいて検出する圧力検出部52がそれぞれ形成されている(図2参照)。従って、複数の圧力検出部52が分散して配置された構造を有する第二のセンサ36は、面に作用する圧力を静電容量の変化に基づいて検出する静電容量型の面圧センサとされている。なお、図3では、矩形シート状の第二のセンサ36が示されているが、第二のセンサ36の具体的な形状は、リンク20の形状などに応じて適宜に設定される。また、第一の電極42と第二の電極46は、帯状に限定されず、例えばそれぞれ独立した複数のスポット状とされて、各別に対向するように配置されていても良い。
And the
更にまた、第二のセンサ36の外側には、第三のセンサ54が重ね合わされている。第三のセンサ54は、第二のセンサ36と同様の感圧センサとされており、第二のセンサ36と実質的に同一の構造を有していることから、図中に同一の符号を付すことにより詳細な説明を省略する。また、第三のセンサ54によって作業者Aを検出可能な第三の検出領域56は、第一のセンサ26の第一の検出領域28よりもアーム18に近い位置に設定されている。なお、第三のセンサ54の第三の検出領域56は、第二のセンサ36の第二の検出領域38と同じとされて、互いに重なり合う位置に設定されており、本実施形態では第二のセンサ36と第三のセンサ54が接触センサであることから、図1,2に二点鎖線で示すように、第二の検出領域38と第三の検出領域56が第三のセンサ54の表面に設定されている。
Furthermore, a
また、主たるハードウエアのブロック図を図4に示すように、第二のセンサ36と第三のセンサ54には、それぞれ検出回路58a,58bが接続されている。本実施形態の第二のセンサ36と第三のセンサ54は、何れも静電容量型センサとされており、静電容量の変化という互いに同じ検出原理に基づいて作業者Aを検出することから、第二のセンサ36に接続される検出回路58aと第三のセンサ54に接続される検出回路58bが互いに同一の構造とされている。以下では、検出回路58aについて説明し、検出回路58bの具体的な構成については、図中に検出回路58aと同一の符号を付すことで説明を省略する。
As shown in a block diagram of the main hardware in FIG. 4,
検出回路58aは、プリント基板59に各種の集積回路やコネクタなどが実装された構造を有しており、プリント基板59に実装されたアナログ入力部60において第二のセンサ36の第一,第二の電極42,46に接続されている。また、検出回路58aは、第二のセンサ36の静電容量の検出信号を対応する電圧に変換するC−V変換回路62を備えていると共に、C−V変換回路62と接続されたマイクロコンピュータ64を備えている。このマイクロコンピュータ64は、第二のセンサ36の複数の圧力検出部52に対して検出用電流を走査的に流して、各圧力検出部52に作用する圧力をそれぞれ検出させるなど、第二のセンサ36による圧力の検出を制御する機能を備えている。更に、マイクロコンピュータ64は、第二のセンサ36の静電容量の検出信号から変換された電圧信号を、フィルタリングしてノイズを低減した後、デジタル信号に変換する機能を備えている。なお、検出回路58aに設けられた電源入力部66に対して外部の図示しない電源装置が接続されており、電源装置の直流電流が、DC−DCコンバータ68によって電圧を調節された状態で、電圧監視部70を介してマイクロコンピュータ64に供給される。
The
なお、第二のセンサ36に接続される検出回路58aのマイクロコンピュータ64と、第三のセンサ54に接続される検出回路58bのマイクロコンピュータ64は、第二のセンサ36の検出結果と第三のセンサ54の検出結果を相互に比較参照するなどして、第二のセンサ36と第三のセンサ54が正常に作動しているか否かなどを監視し合うようにしても良い。
Note that the
そして、検出回路58a,58bの各マイクロコンピュータ64が生成したデジタル信号は、検出回路58a,58bのデジタル出力部72,72から外部へ出力される。検出回路58a,58bから出力されるデジタル信号は、例えば、安全装置74や報知装置76などに送信される。この第二,第三のセンサ36,54の検出信号から生成されたデジタル信号に基づいて、安全装置74がアーム18の減速や停止を実行したり、モニターやスピーカーなどの報知装置76が例えばアーム18への接近に対する警告や、停止したアーム18の再始動に必要な操作手順などを表示したりするようにできる。
The digital signals generated by the
図5には、マイクロコンピュータ64を含むハードウエアで実現される主たる機能のブロック図が示されている。即ち、先ず、ステップ(以下、S)1において、第二のセンサ36の各圧力検出部52へ走査的に給電して、各圧力検出部52の静電容量を測定する。次に、S2において、第二のセンサ36の各圧力検出部52の静電容量値に基づいて各圧力検出部52に作用した圧力の値を取得する。また次に、S3において、取得した作用圧力値を予め入力設定された閾値と比較して、アーム18に対する作業者Aの接触の有無を判定する。S3で人体の接触があったと判定された場合には、S4において、接触の場所や検出した圧力の大きさなどを考慮して、接触場所に対応したアーム18の運動速度の抑制信号を出力する。この速度の抑制信号に基づいて、安全装置74がアーム18の作動を制御する(例えば、アーム18を減速又は停止させる)と共に、報知装置76が必要に応じて危険報知警報の発令などを実行する。
FIG. 5 shows a block diagram of main functions implemented by hardware including the
また、図4に示されたハードウエアブロック構成と図5に示された機能ブロック構成とを実現するための具体的なハードウエアの電気素子の回路構造は、同じに設計されている。例えば、図4のアナログ入力部60やC−V変換回路62、電圧監視部70、デジタル出力部72、入出力部(I/O)だけでなく、マイクロコンピュータ64もDIPやSIP、PGAやSOJなど各種形式で同じパッケージのものが採用され得る。なお、マイクロコンピュータ64としては、外部の記憶素子を利用しても良いが、例えばCPU、RAM、ROMなどの目的とする機能を実現する論理回路を備えたパッケージ品であっても良い。そして、例えばマイクロコンピュータ64に設定される閾値の設定値だけを必要に応じて異ならせて使用することもできる。
In addition, the circuit structure of the electrical elements of specific hardware for realizing the hardware block configuration shown in FIG. 4 and the functional block configuration shown in FIG. 5 is designed to be the same. For example, in addition to the
また、図6に示すように、第二のセンサ36と第三のセンサ54は、一つの検出回路77に接続されていても良い。即ち、検出回路77は、例えばマイクロコンピュータ64が第二のセンサ36用の入出力チャネルと第三のセンサ54用の入出力チャネルを備えており、第二のセンサ36と第三のセンサ54の検出作動の制御や検出信号の処理などを並列的に実行可能とされている。本実施形態では、第二のセンサ36と第三のセンサ54が静電容量の変化に基づいて接触を検出する同一の検出原理を有するセンサとされていることから、第二のセンサ36と第三のセンサ54において一つの検出回路77の共用が可能とされている。
Further, as shown in FIG. 6, the
本実施形態のセンサ装置10は、感圧センサとしての第二,第三のセンサ36,54と、第二,第三のセンサ36,54の検出回路58a,58bと、シールド層30および支持体32と、弾性クッション層34とを、含んで構成されており、ロボット12の支持台16およびアーム18に取り付けられている。尤も、第一のセンサ26のように、センサ装置10に加えて更なる別のセンサを設けて、作業者Aの検出精度の向上や検出の多段階化などを図ることもできる。
The
このような構造とされたセンサ装置10を備えるロボット12に対して、図1に示すように、検出対象としての作業者Aが接近すると、作業者Aは、先ず第一のセンサ26によってアーム18から比較的に遠い位置で検出される。第一のセンサ26が作業者Aを検出すると、第一のセンサ26の検出信号が図示しない検出回路によってデジタル信号に変換されて、安全装置74や報知装置76などに送信される。これにより、安全装置74によってアーム18の移動速度が低減されると共に、作業者Aに対して報知装置76によってアーム18から離れるように警告する。なお、安全装置74や報知装置76は、支持台16やリンク20に収容され得る。更に、第一のセンサ26の図示しない検出回路や第二,第三のセンサ36,54の検出回路58a,58bも、支持台16やリンク20に収容され得る。
As shown in FIG. 1, when a worker A as a detection target approaches the
減速後のアーム18の移動速度は、第一のセンサ26によって検出された作業者Aのアーム18からの距離などに応じて適宜に設定されるが、例えば、250mm/sec以下まで減速させることにより、第二,第三のセンサ36,54によって作業者Aのアーム18への接触を検知した場合にアーム18を停止させることで、作業者Aに作用する力を十分に小さくすることができる。
The moving speed of the
次に、作業者Aがアーム18に対して更に接近して、作業者Aがアーム18に接触すると、作業者Aは、第二のセンサ36と第三のセンサ54の両方によって、第一のセンサ26の第一の検出領域28の遠位端(前端)よりもアーム18に近い位置で検出される。そして、第二のセンサ36と第三のセンサ54によって作業者Aのアーム18への接触が検出されて、検出回路58a,58bによってデジタル信号に変換された第二,第三のセンサ36,54の検出信号が、安全装置74や報知装置76などに送信されることにより、例えば、安全装置74がアーム18の作動を停止する一方、報知装置76が作業者Aに対してアーム18から離れるように警告すると共に、報知装置76がアーム18の再始動に必要な手順などを表示する。
Next, when the worker A further approaches the
このように、本実施形態におけるセンサ装置10を備えたロボット12によれば、遠距離で作業者Aを検出する第一のセンサ26と、近距離で作業者Aを検出する第二のセンサ36および第三のセンサ54との3つのセンサを備えている。それ故、それら3つのセンサ26,36,54の各検出結果に基づいて、作業者Aの接近と接触をより高い信頼性で検出することができる。
As described above, according to the
しかも、作業者Aがアーム18に接触する前に、作業者Aの接近を第一のセンサ26で検出することによって、アーム18が減速されるようにしたことで、作業者Aのアーム18への接触が検出された場合には、アーム18を速やかに停止させることができる。それ故、アーム18の接触によって作業者Aに作用する力が十分に小さくなって、接触によって作業者Aが痛みを感じたり、アーム18が損傷したりするなどの不具合を回避することができる。
In addition, by detecting the approach of the worker A by the
さらに、第一のセンサ26よりもアーム18に近い位置において、作業者Aが第二のセンサ36と第三のセンサ54の両方によって検出されるようになっている。これにより、作業者Aとアーム18の接触時に、アーム18の停止をより優れた信頼性で実行させることができて、作業者Aとアーム18の間に作用する力が低減されることで、安全性の向上が図られる。
Further, the worker A is detected by both the
また、弾性クッション層34の硬さは、第二のセンサ36と第三のセンサ54の各誘電体層40の硬さに対して75%〜500%とされている。これにより、作業者Aとアーム18の接触時には、弾性クッション層34による緩衝性が十分に発揮されると共に、誘電体層40の弾性変形が有効に生ぜしめられて、静電容量の変化に基づく接触の検出が優れた検出感度で実現される。
Further, the hardness of the
特に本実施形態では、弾性クッション層34の硬さが誘電体層40の硬さに対して100%以上とされていることから、第二のセンサ36と第三のセンサ54による作業者Aの接触の検出が高い検出感度で実現される。加えて、第二のセンサ36と第三のセンサ54が柔軟な構造とされており、誘電体層40が十分に柔らかくされていることから、弾性クッション層34による緩衝性も有効に得ることができる。
In particular, in this embodiment, since the hardness of the
さらに、弾性クッション層34のポアソン比が誘電体層40のポアソン比よりも小さくされていることから、弾性クッション層34において体積変化を伴う圧縮が誘電体層40よりも生じ易くされて、例えば、弾性クッション層34の変形による緩衝性をより有利に得ることができる。特に本実施形態では、弾性クッション層34が弾性発泡体とされており、弾性クッション層34の弾性変形時に気泡内の空気の圧縮や流動によって体積変化が生ぜしめられることから、作用力のエネルギーが効率的に低減されて、弾性クッション層34の変形による緩衝性を大きく得ることができる。
Furthermore, since the Poisson's ratio of the
また、本実施形態では、弾性クッション層34のアーム18側のとなる内面35が、アーム18の外面に対応する面形状とされて、弾性クッション層34がアーム18の外面に対して直接的に重ね合わされて取り付けられており、弾性クッション層34の外側に第二,第三のセンサ36,54が配されている。これにより、アーム18の外面の凹凸が弾性クッション層34によって均されて、アーム18の外面形状に拘らず第二,第三のセンサ36,54を固着することができる。
In the present embodiment, the
さらに、アーム18と第二,第三のセンサ36,54の間にシールド層30が設けられていることにより、アーム18から外部へ放射される電磁波などが第二,第三のセンサ36,54による作業者Aの接触の検出に影響するのを防ぐことができる。これにより、第二,第三のセンサ36,54による接触の検出をより精度よく実現することができる。
Further, since the
なお、図7に示すように、第二のセンサ36と第三のセンサ54の間に中間クッション層78を設けても良い。この中間クッション層78は、例えば第三のセンサ54とシールド層30の間に設けられる弾性クッション層34と同様の弾性材料で形成されており、略平板形状とされている。このような中間クッション層78を備える構造によれば、作業者Aがアーム18に接触する際の緩衝性を更に向上させることができると共に、それぞれ接触センサとされた第二のセンサ36と第三のセンサ54の検出感度を、中間クッション層78によって調節することができて、例えば、第二のセンサ36の検出感度を第三のセンサ54の検出感度よりも低く設定することが容易になる。
As shown in FIG. 7, an
また、図8に示すように、第二のセンサ36への重ね合わせ面が凹凸面形状とされた中間クッション層80を第二のセンサ36と第三のセンサ54の間に設けることも可能である。この中間クッション層80は、第二のセンサ36に向けて突出する複数の凸部82を備えており、それら複数の凸部82が第二のセンサ36の複数の圧力検出部52とそれぞれ対応する部分に設けられて、第二のセンサ36の圧力検出部52に接触している。これによれば、作業者Aがアーム18に接触する際に、作業者Aに作用する力を効果的に低減しながら、第二のセンサ36の検出部分である各圧力検出部52には、接触による圧力を凸部82によって集中的に作用させて、作業者Aのアーム18への接触を優れた感度で検出することができる。なお、圧力検出部52に対応した凸部82の態様は、接触圧力を圧力検出部52へ効率的に伝達し得るものであれば良く、例えば、凸部82と略同じ位置にだけ圧力検出部52を設ける他、図示のように少なくとも一部が圧力検出部52上に位置する凸部82を設けるなどの態様であっても良い。
In addition, as shown in FIG. 8, an
また、図9には、本発明の第二の実施形態としてのセンサ装置90を備える自動装置としてのロボット92の一部が示されている。本実施形態のロボット92は、アーム18を構成するリンク20の外側にセンサ装置90が装着された構造を有している。以下の説明において、第一の実施形態と実質的に同一の部材および部位については、図中に同一の符号を付すことで説明を省略する。なお、ロボット92の全体は、第一の実施形態のロボット12と同様であり、アーム18を支持する図示しない支持台には、第一の実施形態と同様の図示しない第一のセンサが設けられている。また、図9と後述する図10では、見易さのために、第二のセンサ36と第三のセンサ54の電極や誘電体層を省略して示すが、それら第二のセンサ36と第三のセンサ54の具体的な構造は、第一の実施形態と同様である。
FIG. 9 shows a part of a
より詳細には、リンク20の外面には、弾性クッション層34が固着されている。弾性クッション層34は、リンク20側に位置する内面35がリンク20の表面の凹凸に対応する面形状とされていると共に、リンク20と反対側に位置する外面が複数の平面で構成されている。
More specifically, the
弾性クッション層34の外側には、シールド層30と第二のセンサ36が配されている。本実施形態のシールド層30は、第二のセンサ36の第二の電極シート48の表面に印刷されており、第二のセンサ36と弾性クッション層34の間にシールド層30が配されている。
A
さらに、第二のセンサ36の外側には、第三のセンサ54が配されており、第三のセンサ54の外側が表皮94によって覆われている。表皮94は、皮革、布、ビニルシートやゴムシートを含むエラストマシートなどの柔軟な材料で形成されており、第三のセンサ54に対する汚れの付着などを防止する。
Further, a
このような本実施形態に従う構造のセンサ装置90を備えたロボット92においても、第一の実施形態と同様に、アーム18から離れた遠い位置で検出対象を検出する図示しない第一のセンサと、アーム18に対する検出対象の接触を検出する第二のセンサ36および第三のセンサ54とによって、アーム18が作業者などの検出対象に衝突するのを防ぐことができる。
In the
また、シールド層30は、本実施形態に示すように、第二のセンサ36および第三のセンサ54よりもリンク20に近い内側に配されていれば良く、弾性クッション層34よりも外側に配することもできる。しかも、本実施形態では、シールド層30が第二のセンサ36の第二の電極シート48に固着されていることにより、シールド層30を支持するための支持体が不要とされて、構造の簡略化や部品点数の削減が図られる。
Further, as shown in the present embodiment, the
なお、図9では、弾性クッション層34の外面を複数の平面からなる略矩形箱状とした例を示しているが、これは理解を容易にするために簡略化したものであって、弾性クッション層34の外面の形状としては、リンク20の表面に比して第二,第三のセンサ36,54およびシールド層30を設け易い任意の面形状が好適に採用される。更に、例えば弾性クッション層34の外面形状を、特定の意匠の少なくとも一部をなすように設定することもできる。更にまた、弾性クッション層34で覆われるリンク20の表面形状は、特に限定されない。
FIG. 9 shows an example in which the outer surface of the
また、図10に示すように、アーム18のリンク20を覆うように支持カバー96が配設されて、シールド層30と弾性クッション層34と第二,第三のセンサ36,54と表皮94とが、支持カバー96の表面に取り付けられた構造も採用され得る。本実施形態の支持カバー96は、中空箱状とされており、リンク20が内部空間に収容されることでリンク20の外側を囲むように配されている。このように、リンク20の表面が支持カバー96で覆われていることにより、リンク20の表面の凹凸に拘らず、シールド層30と弾性クッション層34と第二,第三のセンサ36,54と表皮94が、リンク20の外側に容易に設けられる。
Further, as shown in FIG. 10, a
さらに、図10では、支持カバー96とリンク20の間に形成された収容空間98は、第二,第三のセンサ36,54の検出回路77などが収容可能とされている。なお、図10では、検出回路77が支持カバー96に固定された状態で収容空間98に配された構造を例示したが、例えば、収容空間98に配される検出回路77などは、リンク20に固定されていても良い。
Further, in FIG. 10, the
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、弾性クッション層34の硬さは、誘電体層40の硬さに対して75%〜500%とされていれば良く、例えば誘電体層40が弾性クッション層34よりも硬い構造も採用され得る。
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail, this invention is not limited by the specific description. For example, the hardness of the
また、弾性クッション層34と誘電体層40は、両方が発泡体であっても良いし、両方が非発泡体であっても良い。更に、弾性クッション層34と誘電体層40は、互いに異なる材質で形成することも可能であり、弾性クッション層34と誘電体層40の硬さやポアソン比などを材質の違いによって調節することもできる。
Further, both the
また、前記実施形態では、感圧センサとして、第二のセンサ36と第三のセンサ54の二つを備えた構造について説明したが、感圧センサは、一つだけであっても良いし、三つ以上であっても良い。更に、複数の感圧センサを設ける場合には、各感圧センサの誘電体層の硬さや大きさ、形状などは、必ずしも互いに同じである必要はない。このように互いに異なる誘電体層を備えた複数の感圧センサを採用する場合には、弾性クッション層34の硬さが、何れの感圧センサの誘電体層の硬さに対しても、75%〜500%となるように設定される。尤も、接触による圧力を検出する追加のセンサを、本発明の感圧センサとは別に設けることも可能であり、このような追加のセンサについては、誘電体層の硬さは弾性クッション層の硬さに対して制限されるものではなく、検出原理も静電容量型に限定されない。
Moreover, in the said embodiment, although the structure provided with two of the
また、第一のセンサ26は、前記実施形態のようにアーム18などの移動部を外れた支持台16に設けられて、固定的に設定されたエリアに対する作業者Aの侵入を検出するものの他、移動部に設けられて、移動部の移動に伴って変化するように設定されたエリアに対する作業者Aの侵入を検出するものも採用され得る。
Further, the
さらに、例えば、第二のセンサ36と第三のセンサ54が何れも接触センサとされていると共に、第一のセンサ26がアーム18から近い位置で作業者Aの接近を検出する静電容量型センサなどの近接センサとされた構造も採用できる。なお、第一のセンサ26は、本発明において必須ではない。
Furthermore, for example, the
前記実施形態では、第一〜第三のセンサ26,36,54によって検出する検出対象として作業者Aを例示したが、検出対象は人に限定されず、物であっても良い。
In the embodiment, the worker A is exemplified as the detection target detected by the first to
また、本発明に係るセンサ装置が装着される自動装置は、前記実施形態に示した産業用ロボットに限定されず、例えば、医療用乃至は介護用のロボットや無人搬送車(AGV)などにも適用され得る。なお、前記実施形態では、自動装置の一部が移動部とされる構造を例示したが、例えば自動装置がAGVである場合には、自動装置の全体が移動部とされる。 Further, the automatic device to which the sensor device according to the present invention is attached is not limited to the industrial robot shown in the above-described embodiment. For example, the automatic device may be a medical or nursing robot or an automatic guided vehicle (AGV). Can be applied. In the embodiment, the structure in which a part of the automatic device is the moving unit is illustrated. However, for example, when the automatic device is an AGV, the entire automatic device is the moving unit.
10,90:センサ装置、12,92:ロボット(自動装置)、18:アーム(移動部)、34:弾性クッション層、36:第二のセンサ(感圧センサ)、40:誘電体層、42:第一の電極、46:第二の電極、54:第三のセンサ(感圧センサ)、96:支持カバー、98:収容空間 10, 90: Sensor device, 12, 92: Robot (automatic device), 18: Arm (moving part), 34: Elastic cushion layer, 36: Second sensor (pressure sensor), 40: Dielectric layer, 42 : First electrode, 46: second electrode, 54: third sensor (pressure sensor), 96: support cover, 98: accommodation space
図5には、マイクロコンピュータ64を含むハードウエアで実現される主たる機能のブロック図が示されている。即ち、先ず、ステップ(以下、S)1において、第二,第三のセンサ36,54の各圧力検出部52へ走査的に給電して、各圧力検出部52の静電容量を測定する。次に、S2において、第二,第三のセンサ36,54の各圧力検出部52の静電容量値に基づいて各圧力検出部52に作用した圧力の値を取得する。また次に、S3において、取得した作用圧力値を予め入力設定された閾値と比較して、アーム18に対する作業者Aの接触の有無を判定する。S3で人体の接触があったと判定された場合には、S4において、接触の場所や検出した圧力の大きさなどを考慮して、接触場所に対応したアーム18の運動速度の抑制信号を出力する。この速度の抑制信号に基づいて、安全装置74がアーム18の作動を制御する(例えば、アーム18を減速又は停止させる)と共に、報知装置76が必要に応じて危険報知警報の発令などを実行する。
FIG. 5 shows a block diagram of main functions implemented by hardware including the
なお、図7に示すように、第二のセンサ36と第三のセンサ54の間に中間クッション層78を設けても良い。この中間クッション層78は、例えば第二のセンサ36とシールド層30の間に設けられる弾性クッション層34と同様の弾性材料で形成されており、略平板形状とされている。このような中間クッション層78を備える構造によれば、作業者Aがアーム18に接触する際の緩衝性を更に向上させることができると共に、それぞれ接触センサとされた第二のセンサ36と第三のセンサ54の検出感度を、中間クッション層78によって調節することができて、例えば、第二のセンサ36の検出感度を第三のセンサ54の検出感度よりも低く設定することが容易になる。
As shown in FIG. 7, an
Claims (6)
前記移動部に対する前記検出対象の接触を検出する柔軟な感圧センサが配されており、該感圧センサが、弾性変形可能とされた誘電体層の両面に伸縮変形可能とされた第一の電極と第二の電極の各一方が固着された構造を有しており、それら第一の電極と第二の電極の該誘電体層を介した対向部分に対して対向方向に作用する圧力を静電容量値の変化に基づいて検出する静電容量型センサとされていると共に、
該感圧センサよりも該移動部に近い位置に弾性クッション層が配されており、該弾性クッション層の硬さが該感圧センサを構成する該誘電体層の硬さに対して75%〜500%とされていることを特徴とするセンサ装置。 A sensor device for detecting contact between a movable unit provided in an automatic device and a detection target,
A flexible pressure-sensitive sensor that detects contact of the detection target with respect to the moving unit is disposed, and the pressure-sensitive sensor is configured to be elastically deformable on both surfaces of the dielectric layer. Each of the electrode and the second electrode has a fixed structure, and the pressure acting in the facing direction on the facing portion of the first electrode and the second electrode through the dielectric layer is applied. It is a capacitance type sensor that detects based on a change in capacitance value,
An elastic cushion layer is disposed closer to the moving part than the pressure sensor, and the hardness of the elastic cushion layer is 75% to the hardness of the dielectric layer constituting the pressure sensor. A sensor device characterized by being 500%.
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