JP2022527848A - ロボットシステム用のフレックスリジッドセンサアレイ構造 - Google Patents

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Abstract

エンドエフェクタ／グリッパに配置されたセンサからアーム型ロボットシステムの制御回路にセンサデータを提供するためのフレックス－リジッドセンサ装置。この装置は、リジッドＰＣＢ（例えば、ＦＲ－４）およびフレキシブルＰＣＢ（例えば、ポリイミド）製造プロセスを使用してそれぞれ製造された下部および上部ＰＣＢ積層構造体の間に挟まれた圧電型圧力センサを含む。追加の（例えば、温度および近接）センサが、上部／フレキシブル積層構造体に取り付けられる。スペーサ構造体が２つの積層構造体の間に配置され、圧力センサを収容する開口部を画定する絶縁材料層を含む。銅フィルム層が、各圧力センサの周りにファラデーケージを提供するように構成される。圧力センサ、追加センサ、およびファラデーケージは、下部および上部積層構造体とスペーサ構造体に形成された信号トレースを介して、センサデータ処理および制御回路（例えば、アナログ－デジタル変換器回路）に接続される。【選択図】図１

Description

本出願は、２０２０年３月２７日に提出された「Ｆｌｅｘ－Ｒｉｇｉｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ａｒｒａｙ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｏｒ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ロボットシステム用のフレックスリジッドセンサアレイ構造）」と題された米国特許出願第１６／８３２，７５５号に付与された優先権を主張し、前記特許出願は、２０１９年３月２９日に提出された「Ｆｌｅｘ Ｒｉｇｉｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ａｒｒａｙ Ｓｔａｃｋｕｐ（フレックスリジッドセンサアレイ積層）」と題された米国仮特許出願第６２／８２６，７８７号、および２０１９年３月２９日に提出された「Ｏｕｔ ｏｆ Ｐｌａｎｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ ｆｏｒ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔａｃｔｉｌｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ（圧電触覚センサ用の面外回路）」と題された米国仮特許出願第６２／８２６，８３４号に付与された優先権を主張する。
本発明は概してロボットシステムに関し、より具体的には、アーム型ロボット機構用のエンドエフェクタセンサに関する。
ほとんどの現代のロボットシステムは、機械的、電気的／電子的およびコンピュータ科学技術を統合して、様々なプログラムされた操作（タスク）を実行することができる自律制御型機構を提供する。例えば、多関節ロボットは、制御回路がユーザ提供のソフトウェアベースの命令を、ロボットアーム機構および取り付けられたエンドエフェクタ（例えば、ハンドまたはグリッパ）を制御して、標的物体をある場所から別の場所に移動するなどの反復タスクを実行するモータ制御信号に変換する産業用ロボットシステムの部類である。このようなプログラムされた操作を実行するために、ほとんどの多関節ロボットに提供されるソフトウェアベースの命令は、標的物体がピックアップのために配置される開始位置の３次元（３Ｄ）座標、標的物体を干渉なしに移動できる指定３Ｄ移動経路、および標的物体が配置される最終位置（例えば、容器または支持面）を定める３Ｄ座標を特定する必要がある。適切なソフトウェアベースの命令が提供されると、制御回路は対応する一連のモータ制御信号を生成し、信号はロボットアーム機構がエンドエフェクタを初期／開始位置座標に移動させることを引き起こし、次にエンドエフェクタが標的物体上で閉じる（把持する）ことを引き起こし、次に、ロボットアーム機構が標的物体を指定された移動経路に沿って最終位置座標まで持ち上げ／移動することを引き起こし、次にエンドエフェクタが標的物体を開く／解放することを引き起こす。
ほとんどの従来のロボットシステムは、感知アーキテクチャを利用せず、利用するものは、単一モダリティ感知アーキテクチャを利用する。感知アーキテクチャを利用しない従来のロボットシステムは、事前にプログラムされたコマンドに完全に依存しており、通常、予期しない環境変動に対するわずかな位置変動を調整できない。対照的に、単一モダリティ感知アーキテクチャは、ホストロボットシステムの制御回路にフィードバック情報を提供し、それによって制御回路がユーザ提供のプログラム命令を修正して、わずかな位置変動（すなわち、プログラムベースの座標に対する）に対応することを可能にする。すなわち、上記のプログラムされた操作アプローチは、高度に順序付けられた環境でのみ使用できるが、ほとんどの実際の操作環境には、ランダムな位置の変動、および、誤った操作や場合によっては危険な状況を引き起こす可能性のあるその他の予期しないイベントが含まれる。例えば、指定された開始位置座標からの標的物体の不注意な変位は、エンドエフェクタによる正常な把持を妨げる可能性があり、場合によっては、標的物体および／またはエンドエフェクタ／グリッパに損傷を与える可能性がある（例えば、把持操作中のエンドエフェクタと標的物体との中心から外れた接触に起因して）。このような事故を回避するために、現代のロボットシステムは、しばしば、システムの制御回路がプログラムされた操作を認識して調整し、わずかな変動に対応することを可能にするフィードバック情報を提供するように構成された単一モーダル感知アーキテクチャ（例えば、エンドエフェクタに配置された１つまたは複数の力センサ）および／またはカメラシステムを使用する。例えば、エンドエフェクタに配置された単一モーダルセンサは、（例えば、把持操作中の標的物体との予期しない接触による）指定された開始位置座標から離れた標的物体の変位を示すフィードバック情報を提供し得、このフィードバック情報は、変位した標的物体を首尾よく把持することを可能にする方法でエンドエフェクタが再配置されるようにロボットアーム機構を調整するために制御回路によって利用されることができる。
リッチエンドエフェクタの感覚フィードバックの欠如は、現代のロボットシステムの主な制限の１つである。すなわち、単一モダリティ感知アーキテクチャを使用していくつかの労働災害を防止できるが、従来の単一モダリティセンサは現在、ロボットシステムが複雑な組み立てプロセスを実行することを可能にするのに十分なフィードバック情報を提供できない。例えば、単一モダリティ圧力センサ構成は、エンドエフェクタによって標的物体に所定の把持力が加えられていることを確認するのに十分なデータを提供し得るが、そのような圧力センサには、標的物体がエンドエフェクタの把持から滑り落ちていることを認識するために必要なリッチなセンサフィードバックを欠き、したがって、標的物体への結果として生じる事故による損傷を回避できない。さらに、キャニスタタイプの物体を円筒形物体に取り付けるなどの組み立てタスクを実行する場合、単一モダリティ圧力センサ構成は、キャニスタと円筒形物体の位置がずれている場合のキャニスタと円筒形物体との間の過度の接触に関する不十分なデータを提供する。カメラタイプのフィードバックシステムは、場合によってはそのような発生を識別して調整するのに役立ち得るが、カメラの視野の重要な部分がエンドエフェクタによって遮られることが多く、これによりカメラタイプのフィードバックシステムの機能が制限されることに注意されたい。また、カメラベースの技術に関連する画像処理と推論時間が長すぎて、損傷を与えないように反射的に調整を行うことができない場合がある。単一モダリティセンサとは対照的に、人間の手は比類のないマルチモーダル感覚システム（すなわち、圧力と振動の両方を感知する機械受容器、および温度を感知する熱受容器）からなり、これは前例のない器用な操作に大きく貢献する。具体的には、人間のマルチモーダル感知アーキテクチャは、接触力、テクスチャ、接触点周辺の局所形状、および変形可能性に関するきめ細かい手がかりを提供し、これらはすべて、進行中の把持操作を評価し、不安定な場合に力補正措置をトリガーするために極めて重要である。
必要とされているのは、従来の単一モダリティセンサ構成の欠陥を克服するロボットシステムのための感知装置である。特に、必要とされているのは、向上した人間のような標的物体認識および関連する物体操作制御を容易にするマルチモーダル触覚知覚能力をロボットのエンドエフェクタに提供する低コストの感知アーキテクチャである。
本発明は、ロボットシステムのエンドエフェクタ（例えば、グリッパ）で使用するように構成され、標的物体の表面特徴から触覚センサデータを収集するために様々なセンサを利用し、それにより、向上した人間のような標的物体認識および関連する物体操作制御を促進するマルチモーダル触覚知覚能力をロボットシステムの制御回路に提供するフレックス－リジッドセンサ装置に関する。本発明の一態様によれば、触覚センサデータは、（第１の）下部リジッドプリント回路基板（ＰＣＢ）積層構造体および上部（第２の）フレキシブルＰＣＢ積層構造体を含む新規の２部分リジッド／フレックスＰＣＢベース構造体に取り付けられた複数のセンサによって収集される。下部／リジッドＰＣＢ積層構造体は、確立されたリジッドＰＣＢ製造プロセスを使用してその上に形成されたパターン化された信号経路（例えば、銅トレースおよびビア）を有するリジッド絶縁材料（例えば、ＦＲ－４）の複数の層を含み、上部／フレックスＰＣＢ積層構造体は、確立されたフレキシブルＰＣＢ製造プロセスを使用してその上にパターン化されたパターン化信号経路を有するフレキシブル絶縁材料（例えば、ポリイミド）の複数の層を含む。組み立て中に上部積層構造体が下部積層構造体に取り付けられると、電気的接続が、対向するインターフェース表面に形成された接点間に提供され、２つのＰＣＢ積層構造体上に形成された関連する信号経路によって、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体上に形成された入力／出力（Ｉ／Ｏ）パッドと、上部／フレックスＰＣＢ積層構造体上に形成された接触構造体（例えば電極および／またはパッド）との間の信号の伝送を容易にする。フレックス－オン－リジッド積層感知アーキテクチャによって提供される利点は、下部／リジッド積層構造体の上面の第１の層に（すなわち、２つのＰＣＢ積層構造体の間に）第１のセンサを配置することによって、および、上部／フレックスＰＣＢ積層構造体の上面の第２の層に第２のセンサを配置することによって、少なくとも２つの層／平面に配置されたセンサからのセンサデータの収集を容易にする能力である。さらに、確立された低コストのＰＣＢ製造プロセスを利用して、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体および上部／フレックスＰＣＢ積層構造体の両方を作製できるため、フレックス－リジッドセンサ装置を低コストおよび高い生産歩留まりで製造することができる。
本発明の一実施形態によれば、フレックス－リジッドセンサ装置は、各圧力センサが下部／リジッドＰＣＢ積層構造体に配置された関連する下部（第１）電極と、上部／フレックス積層構造体に配置された関連する上部（第２）電極との間に電気的に接続されるように、下部／リジッドおよび上部／フレックスＰＣＢ積層構造体の間に挟まれた圧力センサのアレイを含む。すなわち、電極の対向するペアは、２つのＰＣＢ積層構造体の対向する（上部および下部）表面にそれぞれパターン化され、その結果、組み立て中に、上部／フレックスＰＣＢ積層構造体が下部／リジッドＰＣＢ積層構造体に取り付けられ、（例えば、リフローはんだ付けによって）動作可能に接続されると、圧力センサは関連する電極ペアの間に挟まれる。２つのＰＣＢ積層構造体の信号経路間に追加の接続も提供され（例えば、任意選択のスペーサ構造体上に提供される金属ビアを介して）、上部圧力電極との間の信号の伝送を容易にし、また上部／フレックスＰＣＢ積層構造体の上面に配置された追加センサへの信号接続を提供する。この上部／下部電極構成によって提供される追加の利点は、ピエゾタイプセンサ構造体のポーリング方向を法線方向に（すなわち、積層構造体によって定められる平面に垂直に）方向付けることにより、低コスト、高感度、高帯域幅、および堅牢なピエゾタイプ（すなわち、圧電またはピエゾ抵抗）圧力センサの使用を促し、これにより、上部電極と下部電極の間の電位または抵抗が、法線方向に加えられる圧力の量に比例することである。好ましさで劣る実施形態では、圧力センサは、ひずみゲージセンサ、容量性圧力センサ、またはキャビティベースの圧力センサを使用して実装され得る。さらに、圧力センサアレイをリジッド積層構造体とフレックス積層構造体の間に挟むことにより、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体のリジッドＰＣＢ材料は固定された（降伏しない）ベースを提供し、一方、上部／フレックス積層構造体のフレキシブルＰＣＢ材料は、複数の離れた圧力センサからの独立した圧力センサデータの収集を容易にする（すなわち、上部／フレックス積層構造体の領域に加えられる点型の圧力は、その領域の下に配置された１つまたは少数の圧力センサに対して実質的に垂直に伝達され、フレキシブルＰＣＢ材料の局所的な変形は、接触領域から離れて配置された圧力センサへの圧力の伝達を大幅に減衰させる）。この配置では、標的物体の突出した表面特徴が接触する上部／フレキシブル積層構造体の領域が、下にある圧力センサに押し込まれ、それによってこれらの下にある圧力センサが比較的高い接触圧力センサデータ値を生成することを引き起こし、標的物体が接触していない上部／フレキシブル積層構造体の領域は、比較的圧縮されないままであり、それによって、これらの圧縮されない領域の下に配置された圧力センサは、比較的低い接触圧力センサデータ値を生成する。さらに、この配置は、上部／フレックスＰＣＢ積層構造体の上面に配置された追加センサ（例えば、温度センサ、近接センサ、および／または振動センサ）の配置に変更を必要とすることなく、隣接センサ間の広範囲の空間距離によって分離された対称配置で配置された任意の数の圧力センサで圧力センサアレイを形成することを容易にし、それによって、接触領域から離れて配置された圧力センサへの点型圧力の分配を最小化することにより、人間型の圧力感知能力を容易にする。すなわち、複数の近接した圧力センサを含む圧力センサアレイを提供することにより、フレックス－リジッドセンサ装置は、標的物体に関する所望の情報（例えば、標的物体の表面特徴および／またはロボットシステムの接触構造体に対する標的物体の位置および向きに関する詳細）を決定するのに適した、領域ベースの圧力センサデータの生成を容易にする。
本発明の一実施形態によれば、フレックス－リジッドセンサ装置は、下部／リジッドおよび上部／フレキシブルＰＣＢ積層構造体を含み、２つのセンサ層が２つのＰＣＢ積層構造体の上面に堅固に配置され、センサ制御およびデータ処理回路が下部／リジッドＰＣＢ積層構造体の下面に配置された入力／出力パッドに動作可能に結合される。好ましい実施形態では、２つのセンサ層は、２つのＰＣＢ積層構造体の間に配置された圧力センサアレイと、上部／フレックスＰＣＢ積層構造体の上部に配置された追加センサ（例えば、温度センサ、近接センサおよび／または振動センサ）とを含む。センサ制御およびデータ処理回路は、動作電圧または他の制御信号を選択された入力パッドに伝送し、関連する出力パッドから結果として得られるセンサデータ信号を読み取ることによって、センサ動作（例えば、圧力センサアレイの圧力測定動作）を制御するように構成される。代替の実用的な実施形態では、センサ制御およびデータ処理回路は、入力／出力パッドに直接接続されるか（例えば、はんだベースの接続構造体によって）、または介在するメザニンコネクタによって入力／出力パッドに結合される。いずれの場合も、センサ制御およびデータ処理回路は、制御信号を制御信号経路に沿って各センサの一方の端子に伝送し、各圧力センサの他方の端子からデータ信号経路に沿って渡される対応するセンサデータ信号を受信する。例示的な実施形態では、センサ制御およびデータ処理回路は、様々なセンサから受信したアナログセンサデータ信号を対応するデジタル値に変換するように構成されたアナログ－デジタル回路、対応するデジタル値に応答して触覚情報を生成するデジタル処理回路、および触覚情報をホストロボットシステムの制御回路に伝送するように構成されたトランシーバ回路を含む。
本発明の別の実施形態によれば、単純な組立ておよびはんだリフロー方法が実施されて、上記のフレックス－リジッドセンサ装置を製造し、使用して製造され、それは総製造コストをさらに削減する。第１に、下部／リジッド積層構造体が、従来のリジッド電気絶縁ＰＣＢ製造技術を使用して製造され（すなわち、その結果、下部／リジッド積層構造体は、パターン化された導電性（例えば、銅）フィルムをその上に有するリジッド絶縁材料層／基板の積層スタックを含む）、上部／フレキシブル積層構造体が、従来のフレキシブル（フレックス）ＰＣＢ製造技術を使用して別個に製造される（すなわち、その結果、上部／フレキシブル積層構造体は、関連するパターン化された導電性フィルム／層を有する１つまたは複数のフレキシブル絶縁材料層／基板を含む）。代替の実施形態では、下部／リジッド積層構造体は、ガラスエポキシ材料（例えば、ＦＲ－４）、セラミック（例えば、セラミック基板またはセラミック充填ＰＴＦＥ）、プラスチック（例えば、ベークライト）または絶縁金属（例えば、熱伝導性誘電体を備えたアルミニウムクラッド）をリジッド絶縁材料として使用して製造され、上部／フレキシブル積層構造体は、ポリイミドまたはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのフレキシブル絶縁材料を使用して製造される。垂直に配向された圧電型圧力センサの実装を容易にするために、下部／リジッド積層構造体の最上面に形成された導電性フィルムは、下部（第１）圧力センサ電極のアレイを含むようにパターン化され、上部／フレキシブル積層構造体の最下面は、上部（第２）圧力センサ電極の対応するアレイを含むようにパターン化される。このように形成された積層構造体では、圧力センサアレイの組み立ては、下部および上部圧力センサ電極にはんだペースト部分を堆積し、次にピエゾタイプの圧力センサを下部／リジッド積層構造体に（すなわち、各下部圧力センサ電極上に配置されたはんだペースト部分上に）取り付け、そして下部／リジッド積層構造体上に上部／フレキシブル積層構造体を取り付け（すなわち、その結果、各上部圧力センサ電極上に配置されたはんだペースト部分は関連する圧電型圧力センサの上面に接触する）、次にリフローはんだ付けプロセスを実行して、ピエゾ型圧力センサを下部圧力センサ電極と上部圧力センサ電極の両方に固定（電気的に接続）することによって実行される。下部／リジッド積層構造体および上部／フレキシブル積層構造体はまた、各圧力センサ電極と、下部／リジッド積層構造体の最下層に配置された対応する入力／出力（Ｉ／Ｏ）パッドとの間に延びる信号経路を集合的に形成するパターン化金属トレースおよびビア構造体で形成される。一実施形態では、１つまたは複数のセンサ制御およびデータ処理回路が同時にＩ／Ｏパッドに電気的に接続され（例えば、上記のリフローはんだ付けプロセス中に）、はんだリフロープロセスが完了した後に追加センサ上に任意選択の封入層が形成される。この好ましい構成は、上記の標的物体の触覚探査を実行することができる、信頼性が高く耐久性のあるフレックス－リジッドセンサ装置の安価な製造を容易にする。
いくつかの実施形態では、装置は、第２のＰＣＢ構造体の最上面に配置された皮膚のような封入層で形成される。いくつかの実施形態では、封入層は、本質的に、標的物体を把持および保持するための適切な摩擦を提供し、断熱材および衝撃吸収材として機能することによって（すなわち、動作の相互作用中に標的物体によって加えられる接触力に応答して弾性的に変形することによって）追加センサおよび下にある圧力センサアレイを保護する働きをする耐久性のあるフレキシブル材料（例えば、シリコーンゴム）からなる。現在好ましい実施形態では、封入層は、０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲の厚さと、０から３００ミクロンＲＭＳの表面粗さおよび３０Ａ～７０Ａのデュロメータを有することによって特徴付けられる材料配合物とを有するシリコーンゴムの層を使用して実装される。この特定のシリコーン層の配合と構成は、ロボットグリッパによって把持される場合に標的物体の滑り型変位に応答して高圧／低圧波面を伝達するスピーカのような媒体として封入層を利用することを容易にする。上記の仕様を有するシリコーンを使用して封入層を形成することにより、封入層に対して横方向の（すなわち、圧力センサアレイに平行な）横方向の滑り変位により、シリコーン層の表面は、圧力センサによって（または装置に取り付けられた他の振動センサによって）振動力成分として簡単に検出され得る高／低交互圧力波面を生成する。したがって、振動力成分の検出に応答して滑りプロセスの開始を示すセンサデータを生成するように装置を構成することによって、装置は、ホストロボットシステムの制御回路による即時の修正動作を促し（例えば、加えられるグリップ力を増大する）、それ以上の滑りを防ぎ、標的物体の損傷を回避する。
別の実施形態によれば、フレキシブル－リジッドセンサ装置は、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体の下面に配置された入力／出力パッドに動作可能に結合され（例えば、はんだベースの接続によって、またはメザニンコネクタまたは他の回路構造体によって直接接続され）、関連する信号経路を介して装置のセンサからセンサデータを受信するように構成されたセンサ制御およびデータ処理回路を含む。例えば、所与の圧力センサによって生成された圧力センサデータは、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体に配置された関連する（第１の）信号経路に沿って、関連する入力／出力パッドを介してセンサ制御およびデータ処理回路の関連する入力端子に伝送される。同様に、温度または他のセンサデータは、所与の追加センサから、上部／フレックスＰＣＢ積層構造体に配置された関連する（第２の）経路に沿って、次にスペーサ構造体に配置された関連する追加センサビアに沿って、次に下部／リジッドＰＣＢ積層構造体に配置された関連する（第１の）信号経路に沿って、関連する入力／出力パッドまで伝送される。したがって、センサ制御およびデータ処理回路は、対応する入力／出力パッドを介して装置に取り付けられた各センサからマルチモーダル（すなわち、圧力および追加）センサデータを受信するように動作可能に結合される。一実施形態では、センサ制御およびデータ処理回路は、様々なセンサから受信したアナログセンサデータ値を対応するデジタルセンサ値に変換するように動作可能に構成されたアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）回路と、デジタル圧力センサ値に応答して触覚情報を生成するように構成されたセンサデータ処理回路と、触覚情報をロボットシステムの制御回路に（すなわち、ＵＳＢまたは他のシリアルデータバスを介して）伝送するように構成されたトランシーバ回路とを含む。一実施形態では、センサ制御およびデータ処理回路は、はんだベースの接続によって、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体の下面に配置された入力／出力パッドに完全に直接接続されている。代替の実施形態では、センサ制御およびデータ処理回路の第１の部分（例えば、ＡＤＣ回路を含む）は、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体に直接接続されている第１のＰＣＢ構造体上に配置され、センサ制御およびデータ処理回路の第２の部分（例えば、センサデータ処理回路およびトランシーバ回路を含む）は、ＡＤＣ回路からシリアルデータ伝送でデジタルセンサ値を受信するために１つまたは複数のメザニンコネクタ（または他の回路構造体）を介して第１の部分に動作可能に結合される別個のＰＣＢ構造体上に配置される。このアプローチは、センサデータ処理回路およびトランシーバ回路を、装置と標的物体との間の接触によって生成される圧力によって引き起こされる可能性のある損傷から保護することを容易にし、すべての圧力センサ構成を支持できる単一のメザニンコネクタの使用を容易にすることにより、広範囲の圧力センサ構成（例えば、比較的多数の高密度圧力センサを含む高解像度センサアレイ、または比較的少数の圧力センサを含む低解像度アレイ）を容易にする。本発明の有益な態様をさらに向上する様々な追加の特徴が任意選択的に実装される。例えば、２つ以上のＡＤＣ回路が、異なるセンサタイプをより効率的に収容するために利用されてもよく、任意選択のセンサコントローラが、異なる感知モード（例えば、圧力センサアレイによる静的対振動測定）を促すために含まれ得る。センサデータ処理回路によって実行される触覚情報生成プロセスは、プログラマブルロジックデバイスを利用することによって向上され得（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）プログラマブルシステムオンチップ（ＰＳＯＣ）回路）、触覚情報の効率的な伝送は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）トランシーバ回路を使用して達成することができる。
本発明の実際の実施形態によれば、ロボットシステムは、対向するエンドエフェクタ（グリッパ）フィンガの関連する接触構造体上に２つ以上のリジッド／フレックスセンサ装置を実装する。一実施形態では、各リジッド／フレックスセンサ装置は、関連するセンサ制御およびデータ処理回路を含み、それにより、各装置は、触覚情報を生成し、エンドエフェクタと制御回路との間にロボット（アーム）機構に沿って延びる１つまたは複数のシリアル（例えば、ＵＳＢ）データバスに沿って触覚情報を伝送する。他の実施形態では、単一エンドエフェクタ／グリッパに配置された２つ以上のリジッド／フレックスセンサ装置のセンサによって生成されたアナログマルチモーダルセンサデータを、各装置に配置されたＡＤＣ回路を使用してデジタルセンサデータに変換することができ、次にデジタルセンサデータを共有センサデータ処理回路によって集合的に処理することができ、それによってロボットシステムの制御回路に伝送される触覚情報は、複数の装置によって収集されたセンサデータに応答して生成される。一実施形態では、一方または両方のリジッド／フレックスセンサ装置によって生成された触覚情報は、最小遅延操作を促すために（例えば、物体の滑りが検出されると、加えられる把持力を増加する）、グリッパに取り付けられたローカルグリッパ制御回路（アクチュエータ）に提供される。
本発明の別の実施形態によれば、ロボットシステムを制御するための方法は、標的物体を把持している（または別の方法でそれと動作可能に相互作用している）間にエンドエフェクタの対応する接触構造体に標的物体によって加えられる接触力に応答して触覚情報を生成するために、上記の１つまたは複数のリジッド／フレックスセンサ装置を利用することを含む。リジッド／フレックスセンサ装置によって生成された触覚情報は、ロボットシステムの制御回路に提供され、任意選択的に、グリッパに取り付けられたローカルグリッパ制御回路（アクチュエータ）に提供されて、最小遅延操作（例えば、物体の滑りが検出されると、加えられる把持力を増加する）を促す。
本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の記載、添付の特許請求の範囲、および添付の図面に関してより深く理解されるようになるであろう。
本発明の実施形態による、アーム型ロボットシステムのエンドエフェクタに実装されたリジッド／フレックスセンサ装置を示す図である。 図１のロボットシステムの例示的な下部／リジッドＰＣＢ積層構造体を示す分解斜視図および断面側面図である。 図１のロボットシステムの例示的な下部／リジッドＰＣＢ積層構造体を示す分解斜視図および断面側面図である。 図１のロボットシステムの簡略化されたスペーサ構造体を示す分解斜視図および断面側面図である。 図１のロボットシステムの簡略化されたスペーサ構造体を示す分解斜視図および断面側面図である。 図１のロボットシステムの簡略化されたスペーサ構造体を示す分解斜視図および断面側面図である。 図１のロボットシステムの例示的な上部／フレックスＰＣＢ積層構造体を示す分解斜視図および断面側面図である。 図１のロボットシステムの例示的な上部／フレックスＰＣＢ積層構造体を示す分解斜視図および断面側面図である。 本発明の別の実施形態による、図１のフレキシブル－リジッドセンサ装置を製造するための方法を示す側面図である。 本発明の別の実施形態による、図１のフレキシブル－リジッドセンサ装置を製造するための方法を示す側面図である。 本発明の別の実施形態による、図１のフレキシブル－リジッドセンサ装置を製造するための方法を示す側面図である。 本発明の別の実施形態による、図１のフレキシブル－リジッドセンサ装置を製造するための方法を示す側面図である。 本発明の代替実施形態による装置を示す修正された分解斜視図である。 それぞれ、断面側面図および部分断面側面図であり、組み立てられた状態の図６のリジッド／フレックスセンサ装置を示している。 それぞれ、断面側面図および部分断面側面図であり、組み立てられた状態の図６のリジッド／フレックスセンサ装置を示している。 別の特定の実施形態によるリジッド／フレックスセンサ装置を示す分解斜視図である。 図９（Ａ）は、図８に示されるリジッド／フレックスセンサ装置のセンサ制御およびデータ処理回路の第１の部分を示す上面図であり、図９（Ｂ）は、図８に示されるリジッド／フレックスセンサ装置のセンサ制御およびデータ処理回路の第１の部分を示す底面図である。 図１０（Ａ）は、図８に示されるリジッド／フレックスセンサ装置のセンサ制御およびデータ処理回路の第２の部分を示す上面図であり、図１０（Ｂ）は、図８に示されるリジッド／フレックスセンサ装置のセンサ制御およびデータ処理回路の第１の部分を示す底面図である。
本発明は、ロボットシステムの能力を大幅に向上させるリジッド／フレックスセンサ装置（すなわち、標的物体感知アーキテクチャ）に関する。以下の記載は、当業者が、特定の用途およびその要件の文脈において提供される本発明を作製および使用することを可能にするために提示される。本明細書で使用される場合、「上」、「下」、「下」、「水平」、「垂直」、「前」および「後」などの方向用語は、記載の目的で相対位置を提供することを意図し、絶対的な基準枠を指定することを意図しない。回路要素間の電気的接続に関して、本明細書で使用される「結合された」および「接続された」という用語は、以下のように定義される。「接続された」という用語は、例えば、通常の集積回路製造技術に従って形成された金属線による、２つの回路要素間の直接接続を記載するために使用される。対照的に、「結合された」という用語は、２つの回路要素間の直接接続または間接接続のどちらかを記載するために使用される。例えば、２つの結合された要素は、金属線によって直接接続され得るか、または介在する回路要素（例えば、コンデンサ、抵抗器、インダクタ、またはトランジスタのソース／ドレイン端子によって）によって間接的に接続され得る。好ましい実施形態への様々な修正は、当業者に明らかであり、本明細書で定義される一般原理は、他の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、以下に示され、記載される実施形態に限定されることを意図せず、添付の特許請求の範囲は本明細書に開示される原理および新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられる。
図１は、本発明の一般化された実施形態による新規のリジッド／フレックスセンサ装置１００－１、１００－２の使用を説明するために提供される例示的なロボットシステム２００を示している。例示的なロボットシステム２００は、ロボットアーム型機構２０１および制御回路（ＣＣ）２０３（例えば、マイクロプロセッサ）を概して含むアーム型ロボットシステムである。以下で詳細に説明するように、新規のリジッド／フレックスセンサ装置１００－１、１００－２は、アーム型機構２０１の遠位端に取り付けられた２本フィンガグリッパ機構（エンドエフェクタ）２５０のそれぞれのフィンガ構造２５５－１、２５５－２で使用するように構成され、ここで、各新規のリジッド／フレックスセンサ装置は、マルチモーダルセンサを利用して、ロボットシステム２００が装置１００－１、１００－２を標的物体９０と動作可能に相互作用させるときに（例えば、制御回路２０３によって生成された制御信号に従う持ち上げ、移動、および配置動作中にフィンガ構造２５５－１、２５５－２が標的物体９０を確実に把持することを可能にする位置にグリッパ２５０が動かされるようにアーム型機構２０３が作動されるときに）、標的物体９０の表面特徴に対応するセンサデータを収集する。以下にも記載するように、各装置１００－１、１００－２の様々なセンサによって収集されたセンサデータは、マルチモーダル触覚情報を生成するために利用され（例えば、リジッド／フレックスセンサ装置に提供される回路または別個のデータ処理回路によって）、マルチモーダル触覚情報は、制御回路２０３にフィードバックされて、向上した人間のような標的物体認識および関連する物体操作制御を容易にするマルチモーダル触覚知覚能力をロボットシステム２００に提供する。
図１の右上部分を参照すると、ロボット機構２０１は、既知の技術に従って動作可能に構成され、様々なアクチュエータを介して標的物体９０を操作するように制御される様々な機構および構造を含む。例示的な実施形態では、ロボット機構２０１は、固定ベース２１１を介して作業面（図示せず）に固定式に取り付けられるように構成された肩／ベース機構２１０、肩／ベース機構２１０から肘機構２２０まで延びる上腕構造２１５、肘機構２２０から手首機構２３０まで延びる前腕構造２２５、手首機構２３０からハンド／軸回転機構２４０まで延びる手首構造２３５、およびハンド／軸回転機構２４０の末端部分に動作可能に接続されたグリッパ（エンドエフェクタ）２５０を含む。グリッパ２５０は、ロボットアーム機構２０１の遠位端に配置され、制御回路１０３によって生成された制御信号に従って開く（互いに離れる）または閉じる（互いに近づく）ように構成された２つのグリッパフィンガ２５５－１、２５５－２を含む。ロボット機構２０１はまた、複数のアクチュエータを含み、各アクチュエータは、制御回路２０３から受信した制御信号に応答して１つまたは複数の関連する電気モータ（図示せず）を作動するように構成されたモータ制御回路（ＭＣＣ）を含む。例えば、モータ制御回路（ＭＣＣ）２０４－１および関連する第１のモータは、固定ベース２１１に対する上腕構造２１５の選択的回転および旋回を容易にするために肩－ベース機構２１０に配置された第１のアクチュエータを形成し、ＭＭＣ２０４－２を含む第２のアクチュエータは、上腕構造２１５に対する前腕構造２２５の選択的旋回を容易にするために肘機構２２０内に配置され、ＭＭＣ２０４－３を含む第３のアクチュエータは、前腕構造２２５に対する手首構造２３５の選択的旋回を容易にするために手首機構２３０内に配置され、ＭＭＣ２０４－４を含む第４のアクチュエータは、手首構造２３５に対するグリッパ２５０の選択的旋回を容易にするためにハンド軸回転機構２４０内に配置され、ＭＭＣ２０４－５を含む第５のアクチュエータは、グリッパ２５０に対してグリッパフィンガ２５５－１、２５５－２の開／閉を制御するエンドエフェクタ２５０に配置される。上記のように、ロボット機構２０１は、本発明の特徴および利益を説明するための簡略化された文脈を提供するために単に導入され、ロボット機構２０１の特定の構成は、添付の特許請求の範囲を制限することを意図するものではない。例えば、エンドエフェクタ２５０は２本フィンガのグリッパとして描かれているが、グリッパ／エンドエフェクタ２５０はまた、１つのフレックス－リジッドセンサ装置を実装するプローブ（すなわち、一本フィンガのような構造を有する）、またはフレックス－リジッドセンサ装置が各フィンガに取り付けられた３本以上のフィンガを有するグリッパ機構を使用して実装されてもよい。
制御回路２０３は、各ユーザ指定動作中に信号線（図示せず）を介して様々なモータ制御回路２０４－１～２０４－５に伝送される一次制御信号のシーケンスを生成するように構成される。すなわち、制御回路２０３は、ユーザ提供の命令２０７に従って一次制御信号シーケンスを生成し、ユーザ提供の命令２０７は、プログラミングデバイス８０（例えば、パーソナルコンピュータまたはワークステーション）から制御回路２０３に伝送され、ロボット機構２０１によって実行される関連タスクを指定する。したがって、一次制御信号シーケンスは、アーム型機構２０１の様々なアクチュエータを作動（オン／オフ）することによって、アーム型機構２０１の機械的再構成を制御し、それにより、制御回路２０３は、グリッパ２５０を標的物体９０と動作可能に相互作用させる。例えば、グリッパ２５０を制御して標的物体９０を把持することを含む動作可能な相互作用を実行するために、制御回路２０３の制御信号生成器は、対応するユーザ提供の命令２０７を処理し、第１の制御信号を生成してＭＣＣ２０４－５に伝送し、「開グリッパ」制御命令に従ってエンドエフェクタ２５０に配置されたアクチュエータにグリッパフィンガ２５５－１、２５５－２の間のギャップを増大させ、次に第２の制御信号を生成し、ＭＣＣ２０４－１～２０４－４に伝送し、アーム構造２１５、前腕構造２２５、手首構造２３５、および軸回転機構２４０に配置されたアクチュエータに、指定されたＸＹＺ位置座標にエンドエフェクタ２５０を位置付けさせ、グリッパフィンガ２５５－１、２５５－２が標的物体９０の両側に配置されるようにし、次に、第３の制御信号を生成し、ＭＣＣ２０４－５に伝送し、エンドエフェクタ２５０に、グリッパフィンガ２５５－１、２５５－２の間のギャップを減少させ、把持力を標的物体９０に加える（すなわち、グリッパフィンガ２５５－１、２５５－２は、「閉グリッパ」制御命令に応答して、標的物体９０の両側に対して対向する接触力を加えるようにする）。
一次制御信号シーケンス（すなわち、ユーザ提供の命令２０７に従って実行される動作）を実行することに加えて、制御回路２０３はまた、フィードバックデータ１０７が割り込み条件（例えば、動作の予定外の終了、または一次制御信号シーケンスへの追加の動作の挿入、または一次制御信号シーケンスに含まれる１つまたは複数の動作の変更を必要とする条件）を示す場合に、一次制御信号シーケンスに挿入される（割り込む）二次制御信号を生成するように構成される。すなわち、制御回路２０３は、フィードバックデータ１０７が対応する事前定義された環境条件の検出を示すときに、ロボット機構２０１に事前定義された割り込み動作を実行させる二次制御信号を生成する。すなわち、特定のタスクを実行するためのロボットシステム２００の動作中、制御回路２０３は、デフォルトとして一次制御信号を生成することによってロボット機構２０１を制御し、割り込み条件がフィードバックデータ１０７によって示される場合にのみ一次制御信号シーケンスに割り込む。本発明の一実施形態では、ロボットシステム２００は、フィードバックデータ１０７がリジッド／フレックスセンサ装置１００－１、１００－２によって収集されたセンサデータに従って生成された触覚情報ＴＩを含むように構成され、制御回路２０３は触覚情報ＴＩによって示される割り込み条件に応答して二次制御信号を生成するように構成される。例えば、フィードバックデータ１０７に含まれる触覚情報ＴＩが、標的物体９０が予想されるＸＹＺ位置からオフセットされていることを示す場合、制御回路２０３は、一次制御信号シーケンスの一部を修正または置換して、関連する二次制御信号に従って（すなわち、一次制御信号によって定義された元のＸＹＺ位置で把持動作を実行する代わりに）オフセットＸＹＺ位置で把持動作を実行するようにグリッパ２５０の位置を調整するように構成される。以下に記載するように、そのような割り込み動作を実施するのに適した触覚情報ＴＩは、装置１００－１、１００－２によって生成されたセンサデータに従って生成される。
図１のグリッパ２５０を参照すると、２つのリジッド／フレックスセンサ装置１００－１、１００－２は、装置１００－１、１００－２が動作可能な相互作用の間に標的物体９０に面するように（すなわち、グリッパ２５０が標的物体９０をグリップするように作動されるときに装置１００－１、１００－２がそれぞれグリッパフィンガ２５５－１、２５５－２と、標的物体９０の対応する表面部分との間に挟まれるように）グリッパフィンガ２５５－１、２５５－２の対向する接触面にそれぞれ固定式に取り付けられる。各装置１００－１、１００－２は、触覚情報ＴＩを生成するために利用されるセンサデータを提供するように構成され、触覚情報ＴＩは、動作可能な相互作用中にデータバス１０８上の制御回路２０３に提供されるフィードバック情報／データ１０７の少なくとも一部を形成する（すなわち、装置１００－２は、以下に記載される装置１００－１のすべての特徴および詳細を含む）。代替の実施形態では、１つのリジッド／フレックスセンサ装置のみを使用することができ（すなわち、装置１００－１または装置１００－２のどちらか）、または２つより多い装置を使用することができる（例えば、３本以上のフィンガを含むグリッパの場合）。
図１の下部に示される破線の気泡部を参照すると、例示的な実施形態において、リジッド／フレックスセンサ装置１００－１は、グリッパフィンガ２５５－１への固定接続（例えば、グリッパフィンガ支持面２５７への固定された取り付けによる）のために構成され、概して、下部／リジッド（第１）プリント回路基板（ＰＣＢ）積層構造体１１０、下部センサアレイ／層１２０、スペーサ構造体１３０、上部／フレックス（第２）ＰＣＢ積層構造体１４０、上部センサアレイ／層１５０、任意選択の封入層１６０、および任意選択のセンサ制御およびデータ処理回路１７０を含む。以下の詳細な記載は、装置１００－１の様々な構造、層、およびセンサに主に向けられ、リジッド／フレックスセンサ装置１００－１がグリッパフィンガ２５５－１への固定接続のためにどのように構成され得るかに関するその詳細は、簡潔にするために省略される。一実施形態では、固定接続は、「ＴＡＣＴＩＬＥ ＰＥＲＣＥＰＴＩＯＮ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＲＯＢＯＴＩＣ ＳＹＳＴＥＭＳ（ロボットシステム用の触覚知覚装置）」［代理人整理番号ＲＯＢ－００２］と題され、共通所有および共通出願される米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号に記載される技術を使用して実装され得、前記特許出願は参照により完全な形で本明細書に組み込まれる。装置１００－２は、知覚装置１００－１を参照して以下に記載される構造および構成を含む。
下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０は、標準的なリジッドＰＣＢ製造および組み立てプロセスを使用してリジッドＰＣＢプラットフォーム上で微細加工され、主に、構造ベースとして、および電気的干渉を受ける高密度の信号をルーティングするための多層媒体として機能する。下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０の様々な層を構成するトレース、ビア、およびマイクロビアは、上面１１１Ｕ上に形成された電極および接触パッドから信号情報を収集し（これらは、センサ１２１および上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０を介してセンサ１５１から来る信号の両方とインターフェースする）、それらを、触覚情報ＴＩ（これは次にデータバス１０８を経由してロボットコントローラ２０３に転送される）を生成するためにデジタル化および任意選択の処理のための下面１１１Ｌ上に形成された入力／出力パッドに動作可能に接続された１つまたは複数のセンサ制御およびデータ処理集積回路１７０にルーティングする。
例示的な下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０は、図１の気泡部セクション図２Ａおよび図２Ｂに示されている。図２Ａを参照すると、下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０は、積層構成に配置された６つの（第１の）基板１１２－１～１１２－６を含む。各基板１１２－１～１１２－６は、その上面および下面にトレース（例えば、薄い銅層のパターン化された部分）が形成されたリジッド絶縁材料（例えば、ＦＲ－４）の層と、リジッド絶縁材料層を通って延び、反対側の上下の基板表面に形成された関連するトレースを電気的に接続する金属ビア構造体（またはマイクロビア構造体）とを含む。例えば、図２Ａを参照すると、最上部の基板１１２－６は、その上面が複数の低圧（第１）電極１１３、センサ接触パッド１１６、および追加のセンサ接触パッド１１７を含むように処理され、これらはすべて最上面１１１Ｕ上に所定の間隔を置いた配置で配置された対応する金属（例えば、銅）アイランドによって形成される。各低圧電極１１３、センサ接触パッド１１６、および追加のセンサ接触パッド１１７は、基板１１２－６を通って下方に延びる金属ビア構造体を介して対応する信号経路に動作可能に結合される。例えば、図２Ａの気泡部分は、センサ接触パッド１１６－１が、ビア構造体１１９－１を介して関連する銅トレース１１８－１に接続されていることを示す部分断面を示し、ビア構造体１１９－１は、基板１１２－６の上面と下面との間に形成された開口部を通って延びる。基板１１２－１～１１２－６がこのように処理されると、基板１１２－１～１１２－６は、確立されたリジッドＰＣＢ製造プロセスを使用して（例えば、介在する接着剤層Ａ－１～Ａ－５によって）固定式に相互接続され、下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０を形成する。図１および図２Ｂに示されるように、相互接続プロセスは、以下のように実行される、すなわち、最上基板１１２－６の上部基板表面が下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０の上面１１１Ｕを形成し、最下基板１１２－１の下面が下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０の下面１１１Ｌを形成し、上面１１１Ｕに配置された各低圧電極１１３および追加のセンサ接触パッド１１６が、関連する信号経路１１５を介して下面１１１Ｌ上に形成された関連する入力／出力パッド１１４に電気的に接続され、各信号経路は、基板１１２－１～１１２－６を通過する連続した（すなわち、電気的に接続された）一連の導電性構造体（すなわち、銅トレースおよび金属ビア構造体）によって形成されるように実行される。例えば、図２Ｂに示されるように、低圧電極１１３は、関連する信号経路１１５－１を介して、関連する入力／出力パッド１１４－１に電気的に接続され、関連する信号経路１１５－１は、基板１１２－１～１１２－６を介して上面１１１Ｕと下面１１１Ｌとの間を通る連続トレースおよびビア構造体の示されたセットによって形成される。図２Ｂに示される信号経路は、例示の目的で任意に形成されており、実際のＰＣＢ積層構成を表すことを意図していないことに留意されたい。代替の実施形態では、下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０は、任意の数のリジッド絶縁材料層（第１の基板）を使用して製造され得る。
センサアレイ／層１２０、１５０は、センサ制御およびデータ処理回路１７０への各センサの動作可能な接続を容易にする方法で、下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０の上面１１１Ｕにまたはその上に配置されるマルチモーダル（すなわち、様々なタイプの）センサを集合的に含む。例示的な実施形態では、センサアレイ／層１２０、１５０は、それぞれの水平面に配置され、下部（第１）センサアレイ／層１２０は、下部ＰＣＢ積層体１１０の上面１１１Ｕに配置されたセンサ１２１を含み、上部（第２）センサアレイ／層１５０は上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０に／の上に配置された追加の（第２の）センサ１５１を含む。すなわち、図示の例示的な実施形態では、装置１００は、下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０および上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０の間に配置されたセンサ１２１と、上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０の上面１４１Ｕに配置された上部センサアレイ１５０とを含む。代替の実施形態（図示せず）では、下部アレイ／層は、圧力センサアレイ１２０とともに含まれ得る（すなわち、積層体１１０と１４０の間に挟まれる）１つまたは複数の非圧力センサ（例えば、振動／テクスチャセンサ、近接センサまたは温度センサ）を含み得る。別の代替の実施形態（図示せず）では、センサの１つまたは複数の追加の層が、上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０上に１つまたは複数の追加のフレキシブルＰＣＢ積層構造体を追加することによって実装され得る。
現在好ましい実施形態によれば、下部センサアレイ／層１２０を形成するすべてのセンサ１２１は圧力センサであり、それにより、センサアレイ／層１２０は、以下、圧力センサアレイ１２０と呼ばれる。圧力センサ１２１は、対称（すなわち、等間隔の）２次元配置であり、各圧力センサ１２１は、下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０に配置された関連する圧力電極１１３と、上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０上に配置された関連する上部圧力電極１４４との間に電気的に接続されている（例えば、はんだベースの接続によって）。例えば、圧力センサ１２１－１は、関連する下部圧力電極１１３－１に接続された下部端子部分と、関連する上部圧力電極１４４－１に接続された上部端子部分とを有する。
好ましい実施形態では、各圧力センサ１２１は、圧電センサデバイス（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）または他の圧電材料を含む圧電材料ダイ）を使用して実装される。他の実施形態では、圧力センサ１２１は、下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０上に非対称またはランダムパターン配置の１つで配置され得、各圧力センサは、他の圧電タイプ（例えば、ピエゾ抵抗）センサデバイスを使用して実装され得、または別の圧力センサタイプ（例えば、ひずみゲージ、容量性圧力センサ、またはキャビティベースの圧力センサ）を使用して実装され得る。さらに他の実施形態（図示せず）では、圧力センサは、上面１１１Ｕまたは下面１４１Ｌ上に形成された電極に接続され得（すなわち、好ましい実施形態のように２つの積層構造体上にそれぞれ配置された２つの電極間に挟まれない）、下部センサアレイ／層は、１つまたは複数の非圧力センサを含み得る。
再び図１の気泡セクションおよび図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃを参照すると、任意選択のスペーサ構造体１３０が、圧力アレイ１２０を収容するために、下部／リジッドＰＣＢ構造体１１０の上面１１１Ｕと上部／フレックスＰＣＢ構造体１４０の下面１４１Ｌとの間に配置される。図３Ｂおよび図３Ｃは、それぞれ、図３Ａの線３Ｂ－３Ｂ、３Ｃ－３Ｃに沿って取られた断面図である。スペーサ構造体１３０は、任意選択的に、既知のリジッドＰＣＢ製造を使用して製造され、リジッドまたはフレキシブル絶縁材料層１３２を含むか、または既知のフレキシブルＰＣＢ製造プロセスを使用して製造され、フレキシブル絶縁材料層１３２を含む。いずれの場合も、絶縁材料層１３２は、複数のセンサ開口部１３４（すなわち、上面１３１Ｕから下面１３１ＬＡ）まで絶縁材料層１３２を貫通する開口部を画定するように、および、圧力センサ接地ビア１３６および追加のセンサビア１３７（これらは、銅などの導電性材料を使用して形成される）を含むように処理される。図３Ｂおよび図３Ｃに示されるように、各圧力センサ接地ビア１３６および追加のセンサビア１３７は、絶縁材料層１３２を貫通する関連する導電経路を形成する。例えば、図３Ｂに示されるように、圧力センサ接地ビア１３６－１は、上面１３２Ｕに露出した上部１３６－１Ｕと、下面１３２Ｌに露出した下部１３６－１Ｌと、上部１３６－１Ｕおよび下部１３６－１Ｌの間に導電経路を形成する中央部分１３６－１Ｃとを含む。同様に、図３Ｃに示されるように、各追加のセンサビア１３７－１は、上面１３２Ｕに露出された上部１３７－１Ｕと、下面１３２Ｌに露出された下部１３７－１Ｌと、上部１３７－１Ｕおよび下部１３７－１Ｌの間に導電経路を形成する中央部分１３７－１Ｃとを含む。以下に記載するように、スペーサ構造体１３０がＰＣＢ積層構造体１１０と１４０の間に取り付けられると、各圧力センサ１２１は、関連するセンサ開口部１３４内に受け入れられる。この構成では、スペーサ構造体１３０は、以下の２つの主要な機能を提供する：第１に、スペーサ構造体１３０は、圧力センサアレイ１２０の上にさらなる層を配置するための機械的支持として機能し、上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０に加えられる圧力を分散し、圧力センサ１２１への飽和および潜在的な損傷を防ぎ、第２に、スペーサ構造体１３０は上部／フレックスＰＣＢ積層体と入力／出力パッド１１４との間に電気接続を提供する（すなわち、ビア１３６、１３７を介して）。
簡略化された上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０が、図１の気泡セクションおよび図４Ａおよび図４Ｂに示されている。図４Ａを参照すると、上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０は、３つの基板１４２－１～１４２－３を含み、各基板は、反対側の表面上に形成され、フレキシブルな絶縁材料を貫いて延びる金属ビア構造体によって動作可能に接続された関連する銅トレースを有するフレキシブル絶縁材料（例えば、ポリイミド）の層を含む。基板１４２－１～１４２－３は、既知のフレキシブルＰＣＢ製造技術を使用して処理され、その結果、最下部の基板１４２－１の下面は、複数の上部圧力（第２）電極１４３、センサ接触パッド１４６、および追加のセンサ接触パッド１４７を含み、それらは上記のように形成され、下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０（上記）の上面１１１Ｕ上に形成された下部圧力電極１１３、センサ接触パッド１１６、および追加のセンサ接触パッド１１７を実質的にミラーリングする配置で配置される。装置１００の上層１０１Ｕを形成する最上基板１４２－３の上面は、所定の配置で配置された１つまたは複数の追加センサ（第３）電極１４３を含み、各上部圧力電極１４４および追加センサ電極１４３は、下部／リジッドＰＣＢ積層体１１０（上記）の信号経路１１５を参照して上に記載したのと同様の方法で、関連する信号経路１４５を介して、１つまたは複数の関連する追加のセンサ接触パッド１４７に電気的に接続される。例えば、図１の気泡部分および図４Ｂに示されるように、追加のセンサ電極１４３－１は、関連する信号経路１４５－１を介して、関連する追加のセンサ接触パッド１４７－１に電気的に接続される。処理が完了すると、基板１４２－１～１４２－３は、確立されたフレキシブルＰＣＢ製造プロセスを使用して（例えば、介在する接着剤層Ａ－６、Ａ－７により）固定式に相互接続され、上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０の製造が完了する。図１および図４Ｂに示されるように、相互接続プロセスは、最上基板１４２－３の基板上面が上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０の上面１４１Ｕを形成し、最下基板１４２－１の下面が上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０の下面１４１Ｌを形成するように実行される。
代替の実施形態（図示せず）では、上部／フレックスＰＣＢ積層体は、４つ以上のフレキシブル絶縁材料層を使用して形成され、各層は、各（上部／下部）シート面にパターン化された銅を有する２つのフレキシブル絶縁材料シートから構成される。最下（第１）シートの最下層は、圧力センサの上部接点にはんだ付けされた上部圧力センサ電極と、下にあるスペーサ構造体に配置された様々なビアへの電気接続を提供する他の接点パッドを含む。最上層は、信号を１つまたは複数の中間センサ（例えば、ひずみゲージ）にルーティングするための信号経路を含むか、多層フレックスＰＣＢ接地層またはそれら２つの組み合わせとして機能するために使用することができる。上層の下部シートは、積層プロセスまたははんだ付けプロセスを介して下層に結合され、静電容量型近接センサのシールド電極として機能するか、追加の信号経路を提供するようにパターン化される。
再び図１の気泡セクションを参照すると、上部センサアレイ／層１５０は、上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０の上層１４１Ｕ上に配置され、１つまたは複数の追加センサ１５１を含み、各追加センサ１５１は、圧力センサとは異なるセンサタイプのものである（例えば、各追加センサ１５１は、振動センサ、近接センサ、および温度センサのうちの１つを含む）。各追加センサ１５１は、上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０上に配置された関連する追加センサ電極１４３に電気的に接続され、それにより、制御信号およびデータ信号は、ＰＣＢ積層構造体１１０、１４０に提供された信号経路を介して各追加センサ１５１とセンサ制御およびデータ処理回路１７０との間で伝送される。例えば、追加センサ１５１－１は、関連する追加センサ電極１４３－１に電気的に接続され、これは、（第２の）信号経路１４５－１を介して追加のセンサ接触パッド１４７－１に接続され、これは次に、図５Ｃを参照して以下に記載する方法で、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０上に提供された関連信号経路１１５を介して、センサ制御およびデータ処理回路１７０に電気的に接続される。一実施形態では、追加センサ１５１－１は、振動／テクスチャセンサ（例えば、振動を検出するように構成された圧電／ピエゾ抵抗またはＭＥＭＳベースのセンサのいずれか）、近接センサ（例えば、容量結合型感知要素）、または装置１００の対応する部分に適用された局所温度に応答して温度データを生成するように構成された温度センサ（例えば、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）、熱電センサ、または他の変形）のうちの１つを含む。他の実施形態では、少なくとも１つの追加センサ１５１は振動／テクスチャセンサであり、少なくとも１つの追加センサ１５１は近接センサであり、少なくとも１つの追加センサ１５１は温度センサである。
図１の気泡セクションの上部を参照すると、フレキシブル－リジッドセンサ装置１００－１はまた、耐久性のあるフレキシブル材料（例えば、シリコーンゴム）から本質的になる任意選択の封入層１６０を含み、これは、上部／フレックスＰＣＢ積層体１４０の最上面１４１Ｕに配置される。一実施形態では、封入層１６０は、上記の、「ＴＡＣＴＩＬＥ ＰＥＲＣＥＰＴＩＯＮ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＲＯＢＯＴＩＣ ＳＹＳＴＥＭＳ（ロボットシステム用の触覚知覚装置）」と題され、共通所有および共通出願された米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号［代理人整理番号ＲＯＢ－００２］に記載された保護および把持摩擦機能を実行することを可能にする特定の材料パラメータに従って形成される。
図１の気泡セクションの上部を参照すると、フレキシブル－リジッドセンサ装置１００－１はまた、入力／出力パッド１１４へ動作可能に結合された（例えば、はんだベースの接続によってまたは以下に記載するメザニンコネクタによって直接接続された）センサ制御およびデータ処理回路１７０を含み、ここで、センサ制御およびデータ処理回路１７０は、関連する信号経路１１５、１４５を介してセンサ１２１、１５１からセンサデータを受信するように構成される。例えば、圧力センサ１２１－１によって生成された圧力センサデータＳＤ－Ｐ１は、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０に配置された関連する（第１の）信号経路１１５－１に沿って、関連する下部圧力センサ電極１１３－１から入力／出力パッド１１４－１に、および入力／出力パッド１１４－１からセンサ制御およびデータ処理回路１７０の関連する入力端子に伝送される。同様に、温度または他のセンサデータは、追加センサ１５１から、上部／フレックスＰＣＢ積層構造体１４０に配置された関連する（第２の）信号経路１４５に沿って、次にスペーサ構造体１３０に配置された関連する追加センサビア１３７に沿って、次に下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０に配置された関連する（第１の）信号経路１１５に沿って、関連する入力／出力パッド１１４に伝送され、そこから、センサ制御およびデータ処理回路１７０の関連する入力端子に転送される。
図５Ａ～図５Ｄは、簡略化された例示的な実施形態による、フレキシブル－リジッドセンサ装置１００－１を製造するための方法を示す。
図５Ａは、製造方法の初期段階における下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０および上部／フレキシブルＰＣＢ積層構造体１４０を示している。この時点で、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０は、図２Ａおよび図２Ｂを参照して上に記載したリジッドＰＣＢ製造プロセスを使用して製造され、上部／フレキシブルＰＣＢ積層構造体１４０は、図４Ａおよび図４Ｂを参照して上に記載したフレキシブルＰＣＢ製造プロセスを使用して製造される。図示されていないが、スペーサ構造体１３０（図５Ｂを参照）もまた、例えば、上部／フレキシブルＰＣＢ積層構造体１４０を提供するために利用されるフレキシブルＰＣＢプロセスを使用して製造される。
図５Ａはまた、はんだフラックス（ペースト）部分を、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０および上部／フレキシブルＰＣＢ積層構造体１４０の上面／下面に配置されたＩ／Ｏおよび接触パッドおよび電極に適用することを示す。具体的には、第１のはんだフラックス部分５２１は、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０の上面１１１Ｕに配置された各圧力センサ電極および接触パッドに適用され、第２のはんだフラックス部分５２２は、上面／フレキシブルＰＣＢ積層構造体１４０の下面１４１Ｌに配置された各圧力センサ電極および接触パッドに適用され、第３のはんだフラックス部分は、上面／フレキシブルＰＣＢ積層構造体１４０の上面１４１Ｕに配置された各追加センサ電極１４６に適用され、任意選択の第４はんだフラックスは、下面１１１Ｌ上に配置された各入力／出力パッド１１４に適用される。例えば、第１のはんだフラックス部分５２１、５２２は、第１のはんだフラックス部分５２１－１が圧力センサ電極１１３－１に適用され、第２のはんだフラックス部分５２２－１が圧力センサ電極１４４－１に適用されるように、および第１のはんだフラックス部分５２１－２が追加センサ接触パッド１１７－１に適用され、第２のはんだフラックス部分５２２－２が接触パッド１４７－１に適用されるように適用される。
図５Ｂは、各センサが関連するはんだフラックス部分に接触するように、圧電型圧力センサ１２１および追加センサ１５１を取り付けることを示している。例えば、圧力センサ１２１－１は、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０と上部／フレキシブルＰＣＢ積層構造体１４０との間に取り付けられ、その結果、その下面／端子は、関連する第１のはんだフラックス部分５２１－１に接触し、これは下部圧力センサ電極１３１－１に配置され、およびその上面／端子は、関連する第２のはんだフラックス部分５２２－１に接触し、これは関連する上部圧力センサ電極１４４－１に配置される。各圧力センサ１２１はまた、関連するセンサ開口部内に受け入れられることに留意されたい（例えば、センサ１２１－１は、センサ開口部１３４－１内に受け入れられる）。スペーサ構造体１３０は、ビア構造体が対応するはんだフラックス部分の間に同様に取り付けられるように取り付けられ（例えば、追加センサビア１３７－１は第１のはんだ部分５２１－２と第２のはんだ部分５２２－２との間に配置される）、各追加センサ１５１はまた、１つまたは複数のはんだフラックス部分５２３に取り付けられることにも留意されたい。
図５Ｃは、図５Ｂを参照して上に記載したアセンブリの関連する電極、接触パッド、センサ、および他の回路の間に導電性接続を形成するために利用されるはんだリフロープロセスの実行中の装置１００－１を示す。はんだリフロープロセスは、既知の技術に従って（例えば、波線で示される適切な量の熱エネルギーＨを組み立てられたスタックに適用することによって）実行され、その結果、各はんだフラックス部分が溶融して対応する導電性構造体を形成する。例えば、リフロープロセスは、圧力センサ１２１－１の下端端子とそれに関連する下部圧力センサ電極１１３－１との間、および圧力センサ１２１－１の上端端子とそれに関連する上部圧力センサ電極１４４－１との間に配置された対応するはんだフラックス部分を溶融し、それにより、圧力センサ１２１－１の下端と関連する下部圧力センサ電極１１３－１との間に導電性接続５３１－１を形成し、および圧力センサ１２１－１の上端と関連する上部圧力センサ電極１４４－１との間に導電性接続５３１－２を形成する。リフロープロセスはまた、他のすべてのはんだフラックス部分を同時に溶融し、それによって、追加センサ１５１－１を、上部／フレキシブルＰＣＢ積層構造体１４０の上面１４１Ｕ上の関連する追加センサ電極１４３－１に固定する対応する導電性接続５３３を形成し、およびセンサ制御およびデータ処理回路１７０を下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０の下面１１１Ｌに固定する対応する導電性接続を形成する（例えば、導電性接続５３４－１、５３４－２は、それぞれ、入力／出力パッド１１４－１、１１４－２をセンサ制御およびデータ処理回路１７０の対応する入力端子に固定する）。リフロープロセスが完了すると、センサ制御およびデータ処理回路１７０と装置１００に配置されたすべてのセンサとの間の圧力および追加のセンサデータの伝送を容易にする電気接続が確立される。例えば、圧力センサ１２１－１によって生成された圧力センサデータＳＤ－Ｐは、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０に配置された関連する（第１の）信号経路１１５－１に沿って、関連する入力／出力パッド１１４－１および導電性接続５３４－１を介して、センサ制御およびデータ処理回路１７０の関連する入力端子に伝送される。同様に、追加の（例えば、温度、振動、近接または他の）センサデータは、追加センサ１５１－１から、導電性接続５３３および追加センサ電極１４６－１を介して関連する（第２の）信号経路１４５－１に伝送され、信号経路１４５－１に沿って上部／フレックスＰＣＢ積層構造体１４０を通って上部追加センサ接触パッド１４７－１に至り、次にスペーサ構造体１３０を通って導電性接続５３１－２、５３２－２および追加センサビア１３７－１を介して下部追加センサ接触パッド１１７－１へ至り、次に下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０に配置された関連する（第１の）信号経路１１５－２に沿っておよび関連する入力／出力パッド１１４－２および導電性構造体５３４－２を通ってセンサ制御およびデータ処理回路１７０の関連する入力端子へ至る。したがって、センサ制御およびデータ処理回路１７０は、マルチモーダル（すなわち、圧力および追加の）センサデータを、対応する入力／出力パッド１１４を介して、装置１００－１の各圧力センサおよび各追加センサから受信するように動作可能に結合される。現在好ましい実施形態では、センサ制御およびデータ処理回路１７０は、この圧力および追加センサデータに応答して触覚情報を生成するように構成され、および上記の共通所有および共通出願された米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号［代理人整理番号ＲＯＢ－００２］に記載された方法で一次制御信号シーケンスに割り込むように（例えば、オフセット状態を修正するように）構成される。
図５Ｄは、上面１４１Ｕおよび追加センサ１５１－１上の任意選択の封入材料５６０の堆積を示し、それにより、封入層１６０を形成し、リジッド／フレックスセンサ装置１００－１の製造を完了する。現在好ましい実施形態では、封入層１６０は、０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲の厚さＴ１と、０から３００ミクロンＲＭＳ（二乗平均平方根）の表面粗さおよび３０Ａ～７０Ａのデュロメータを有することによって特徴づけられる材料配合物とを有するシリコーンゴムの層を使用して実装される。封入層１６０に関連する追加の特徴および利点は、封入層１６０に対する標的物体の滑り型変位を示すセンサデータを収集および利用するための技術とともに、上記の共通所有および共通出願された米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号［代理人整理番号ＲＯＢ－００２］に記載されている。
図６、図７Ａおよび図７Ｂは、現在好ましい実施形態によるフレックス／リジッド装置１００Ａを示し、ここでは、１つまたは複数の金属層１１８Ａ、１４８Ａがそれぞれ下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０Ａおよび上部／フレックスＰＣＢ積層構造体１４０Ａ上に配置され、圧力センサ１２１Ａを環境干渉から保護するファラデーケージを形成するために利用される。図６を参照すると、装置１００Ａは、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０Ａおよび上部／フレックスＰＣＢ積層構造体１４０Ａの間に配置されたスペーサ構造体１３０Ａおよび圧力センサアレイ１２０Ａを含む点で、装置１００（上記）と同様である。以下に記載する違いを除いて、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０Ａ、圧力センサアレイ１２０Ａスペーサ構造体１３０Ａ、および上部／フレックスＰＣＢ積層構造体１４０Ａは、装置１００を参照して上に記載したように構成および組み立てられ、したがって関連する詳細は簡潔にするためにここでは省略される。
装置１００Ａは、スペーサ構造体１３０Ａの絶縁材料層１３２Ａの少なくとも一部が、各センサ開口部１３６Ａの内側に配置された各圧力センサ１２１Ａの周りに集合的にファラデーケージを形成する第１の接地面構造体１１８Ａと第２の接地面構造体１４８Ａとの間に挟まれるという点で装置１００とは異なる。接地面構造体１１８Ａ、１４８Ａは、それぞれ、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０Ａおよび上部／フレックスＰＣＢ積層構造体１４０Ａ上に形成され、センサアレイ１２０Ａの全長Ｌおよび全幅Ｗに延びる導電性材料（例えば、銅）の隣接層として定義される。図示の例示的な実施形態では、接地面構造体１１８Ａは、下部圧力センサ電極１１３Ａの周囲に周辺スペースを（すなわち、電気的絶縁を）提供するようにパターン化され、余剰センサ電極１１７Ａから離間されているが、それ以外は連続したシート状の接地面構造体を形成する、上面１１１ＡＵ上に形成された部分銅層を含む。同様に、接地面構造体１４８Ａは、余剰センサ電極１４７Ａから離間されているが、それ以外は連続したシート状の接地面構造体を形成する、下面１４１ＡＬ上に形成された中実の切れ目のない銅層を含む。接地面構造体１１８Ａのそれぞれの部分は、下部センサ接触パッド１１６Ａを形成するために利用され、接地面構造体１４８Ａのそれぞれの部分は、上部圧力センサ電極１４４Ａおよび上部センサ接触パッド１４６Ａの両方を形成するために利用されることに留意されたい。
装置１００Ａはまた、隣接するセンサ間の電気的絶縁を確実にするために、薄い絶縁層１１９Ａ、１４９Ａがそれぞれ接地面層１１８Ａ、１４８Ａ上に形成されるという点で装置１００とは異なる。下部絶縁層１１９Ａは、下部圧力センサ電極１１３Ａと圧力センサ１２１Ａの下部との間の接続を容易にする正方形の開口部１１９Ａ－１を含み、下部センサ接触パッド１１６Ａと対応するビア構造体１３６Ａの下端との間の接続を容易にする円形の開口部１１９Ａ－２を含む。同様に、上部絶縁層１４９Ａは、上部圧力センサ電極１４４Ａと圧力センサ１２１Ａの上部との間の接続を容易にする正方形の開口部１４９Ａ－１を含み、上部センサ接触パッド１４６Ａと対応するビア構造体１３６Ａの上端との間の接続を容易にする円形の開口部１４９Ａ－２を含む。
図７Ａは、組み立てられた状態のフレキシブル－リジッドセンサ装置１００Ａを示す断面側面図であり、図７Ｂは、圧力センサ１２１Ａ－１を含む装置１００Ａの一部をより詳細に示す拡大部分断面図である。図７Ａは、図６に示される様々な層および構造体を利用する組み立てプロセスの完了後の装置１００Ａを示し、一実施形態では、組み立てプロセスは、図５Ａ～図５Ｄを参照して上に記載したように実行され、上部／フレックスＰＣＢ積層構造体１４０Ａ上の封入層１６０Ａの形成を含む。図７Ａに示されるように、接地面層１１８Ａ、１４８Ａの両方は、少なくとも１つの追加センサ接触パッド１１７Ａ－１およびビア構造体１３７Ａ－１を介して互いに電気的に接続され、これらは、例えば、信号経路１１５Ａ－１および入力／出力接点パッド１１４Ａ－１を介して、接地源に結合される。
図７Ｂは、図５Ａ～図５Ｄを参照して上に記載したように実行された組み立てプロセスの完了後の圧力センサ１２１Ａ－１を含む装置１００Ａの一部を示す。図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、スペーサ構造体１３０Ａは、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０Ａと上部／フレックスＰＣＢ積層構造体１４０Ａとの間に配置され、センサ開口部１３４Ａ－１を画定するフレキシブル絶縁材料層１３２Ａを含む。簡潔にするために、図７Ｂに示される装置１００Ａの部分は、下部圧力センサ電極１１３Ａ－１を含む下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０Ａの上部のみを示し、上部圧力センサ電極１４４Ａ－１を含む上部／フレックスＰＣＢ積層構造体１４０Ａの下部のみを示すように限定される。図５Ｃを参照して上に記載したように、圧力センサ１２１Ａ－１は、それぞれはんだベースの接続構造体５３２Ａ－１、５３２Ａ－２を介して電極１１３Ａ－１、１４４Ａ－１に電気的に接続されている。動作中、接地面層１１８Ａ、１４８Ａは、接地源に接続され、それによって、接地面層１１８Ａ、１４８Ａの部分は、各圧力センサ１２１Ａの周りにファラデーケージを形成するように動作可能に構成される。例えば、圧力センサ１２１Ａ－１の下端に隣接して配置された部分１１８Ａ－１、１１８Ａ－２および圧力センサ１２１Ａ－１の上端に隣接して配置された部分１４８Ａ－１、１４８Ａ－２は、スペーサ構造体１３０Ａを介して画定されたセンサ開口部１３４Ａ－１内に配置された圧力センサ１２１Ａ－１の周りにファラデーケージを形成する。同様の方法で、接地面層１１８Ａ、１４８Ａのそれぞれの部分は、スペーサ構造体１３０Ａを介して画定された各センサ開口部１３４Ａ内に配置された各圧力センサ１２１Ａの周りにファラデーケージを形成する。このように、スペーサ構造体１３０Ａは、各圧力センサ（例えば、圧力センサ１２１Ａ－１）によって生成される圧力センサデータの感度を高め、これはＰＺＴダイによって生成される非常に小さな信号を環境干渉から保護することによって、ＰＺＴ型圧力センサ要素の使用をさらに容易にする。
図８～図１０は、別の例示的な実施形態によるフレキシブル－リジッドセンサ装置１００Ｂを示す。図８の上部に示されるように、装置１００Ｂは、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０Ｂおよび上部／フレキシブルＰＣＢ積層構造体１４０Ｂの間に配置された圧力センサアレイ１２０Ｂおよびスペーサ構造体１３０Ｂを含み、上部センサアレイ１５０Ｂおよび封入層１６０Ｂが上部／フレキシブルＰＣＢ積層構造体１４０Ｂ上に／を覆って形成されているという点で上記の実施形態と同様であり、これらの構造体のそれぞれは、上記の実施形態に従って形成される。
図８の下部に示されるように、装置１００Ｂは、装置１００Ｂがまた、ベース構造体１８０Ｂおよび一対のメザニンコネクタ１９０Ｂ－１、１９０Ｂ－２を含むという点で、およびさらに、センサ制御およびデータ処理回路１７０Ｂが、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０Ｂに直接接続された上部（第１）ＰＣＢ構造体１７１Ｂ－１上に配置された第１の回路部分１７０Ｂ－１と、メザニンコネクタ１９０Ｂ－１、１９０Ｂ－２を介して第１の回路部分１７０Ｂ－１に動作可能に結合された別個の（第２の）ＰＣＢ構造体１７１Ｂ－２上に配置された下部（第２）回路部分１７０Ｂ－２とを含むという点で、先に記載した実施形態と異なる。
ベース構造体１８０Ｂは、平面状上面１８１Ｂ－Ｕと反対側の平面状下面１８１Ｂ－Ｌとの間に延びる２つの貫通開口部１８６Ｂを有する支持プレート１８１Ｂを含む、機械加工または成形された金属（例えば、アルミニウムまたは鋼）構造体を含み、取り付けフランジ１８２Ｂが、支持プレート１８１Ｂの後縁１８１Ｂ－Ｒに一体的に接続され、例えばボルトまたは他の留め具（図示せず）によってベース構造体１８１Ｂをロボットグリッパ（図示せず）に堅固に接続するように構成された取り付け穴１８３Ｂを含む。一体型周壁１８４Ｂが、支持プレート１８１Ｂおよび取り付けフランジ１８２Ｂを取り囲み、封入層１６０Ｂと組み合わせて、下部（圧力）センサアレイ１２０Ｂおよび上部（追加）センサアレイ１５０Ｂを取り囲み、保護する保護ハウジングを形成する。周壁１８４Ｂの上壁部分１８４Ｂ－Ｕは、支持プレート１８１Ｂ－Ｕに対して垂直にかつそれから（その上に）上方に延在し、それにより、上部支持プレート表面１８１Ｅ－Ｕおよび上壁部分１８４Ｂ－Ｕの内面は、図８においてベース構造体１８０Ｂの上に示されている、上部（第１）ＰＣＢ構造体１７１Ｂ－１および装置１００Ｂの他のＰＣＢおよび他の構造体を受け入れ、固定するように構成された上部ポケット領域１８１Ｂ－ＵＰを形成する。同様に、周壁１８４Ｂの下壁部分１８４Ｂ－Ｌは、支持プレート１８１Ｂ－Ｕに垂直にかつそれから（その下に）下方に延在し、それにより、下部支持プレート表面１８１Ｂ－Ｌおよび下壁部分１８４Ｂ－Ｌの内面は、下部ＰＣＢ構造体１７１Ｂ－２を受け入れ、固定するように構成された下部ポケット領域１８１Ｂ－ＬＰを形成する。
図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、それぞれ上面図および底面図であり、第１の回路部分１７０Ｂ－１を示し、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、それぞれ上面図および底面図であり、第２の回路部分１７０Ｂ－２を示している。図９（Ａ）を参照すると、回路部分１７０Ｂ－１は、上部ＰＣＢ構造体１７１Ｂ－１の上面１７１Ｂ－１Ｕに配置された接触パッド１７３Ｂを含むアレイ１７２Ｂを含み、接触パッド１７３Ｂは、下部／リジッドＰＣＢ積層構造体１１０Ｂ（図８に示されている）の下面に提供された入力／出力パッド（図示せず）へのはんだベース接続のために配置されている。図９（Ｂ）を参照すると、上部ＰＣＢ構造体１７１Ｂ－１は、センサデータ信号をアナログ－デジタル（ＡＤＣ）回路１７５Ｂ－１、１７５Ｂ－２に直接転送することを容易にする、下面１７１Ｂ－１Ｌに配置された信号経路および対応する接触パッドを含む。一実施形態では、ＡＤＣ回路１７５Ｂ－１は、圧力センサアレイ１２０Ｂから圧力センサデータを受信し、対応するデジタル圧力センサデータ信号ＰＳＤをメザニンコネクタ１９０Ｂ－１を介してデータプロセッサ１７６Ｂ（図１０（Ａ）を参照）に伝送し、ＡＤＣ回路１７５Ｂ－２は、上部センサアレイ１５０Ｂから追加センサデータを受信し、対応するデジタル追加センサデータ信号ＡＳＤをメザニンコネクタ１９０Ｂ－２を介してデータプロセッサ１７６Ｂに伝送する。図１０（Ａ）を参照すると、データプロセッサ１７６Ｂは、下部ＰＣＢ構造体１７１Ｂ－２の上面１７１Ｂ－２Ｕ上に配置され、マイクロプロセッサ、プログラマブルロジックデバイス（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ））、およびプログラマブルシステムオンチップ（ＰＳＯＣ）回路の１つまたは複数を使用して触覚情報ＴＩを生成する。触覚情報ＴＩは、データプロセッサ１７６Ｂからトランシーバ回路１７７Ｂに伝送され、トランシーバ回路１７７Ｂは、データバス１０８Ｂ上でシステム制御回路２０３に伝送されるフィードバックデータ信号１０７Ｂの一部として触覚情報ＴＩを再伝送する。一実施形態では、トランシーバ回路１７７Ｂは、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）回路を使用して実装され、データバス１０８ＢはＵＳＢバスを使用して実装される。図１０（Ｂ）は、下部ＰＣＢ構造体１７１Ｂ－２の下面１７１Ｂ－２Ｌを示し、これは一実施形態において、任意選択の接続１７８Ｂ－１、１７８Ｂ－２と、１つまたは複数の支持構造体１７９Ｂとを含む。
再び図８を参照すると、センサ制御およびデータ処理回路１７０Ｂを、剛性支持プレート１８１Ｂによって分離された上部および下部１７０Ｂ－１、１７０Ｂ－２に分離することは、いくつかの利点を提供する。第１に、剛性支持プレート１８１Ｂは、圧力を吸収するように機能し、それにより、この配置は、装置１００Ｂと標的物体との間の接触によって生成される圧力によって引き起こされ得る損傷からセンサデータ処理回路１７６Ｂおよびトランシーバ回路１７７Ｂを保護することを促す。さらに、シリアル信号伝送を使用してデジタルセンサ信号ＰＳＤおよびＡＳＤを伝送するようにＡＤＣ回路１７５Ｂ－１、１７５Ｂ－２を構成することにより、この配置は、センサ構成のいずれかを実装するために同じメザニンコネクタ１９０Ｂ－１、１９０Ｂ－２の使用を促すことによって、広範囲の圧力センサ構成（例えば、比較的多数の高密度の圧力センサを含む高解像度センサアレイ、または比較的少数の圧力センサを含む低解像度アレイ）の使用を促す。
本発明を特定の特別の実施形態に関して記載してきたが、本発明の発明的特徴は他の実施形態にも適用可能であり、それらのすべてが本発明の範囲内にあることが意図されていることは当業者には明らかであろう。例えば、本発明は、２本フィンガエンドエフェクタを使用する関節式ロボットシステムを特に参照して記載されているが、本明細書に開示されるリジッド／フレックスセンサ装置は、３、４、または５本フィンガエンドエフェクタ（例えば、人間のようなロボットハンド）を利用する高度なロボットシステムにおいても有益に利用され得、「ＲＯＢＯＴＩＣ ＧＲＩＰＰＥＲ ＷＩＴＨ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＴＡＣＴＩＬＥ ＳＥＮＳＯＲ ＡＲＲＡＹＳ（触覚センサアレイが一体化されたロボットグリッパ）」と題された共通所有および共通出願の米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号［代理人整理番号ＲＯＢ－００４］（そのすべてが参照により完全な形で本明細書に組み込まれる）に記載されている詳細のいずれかを使用するグリッパタイプエンドエフェクタに組み込むことができる。さらに、本発明は単一の下部／フレックスＰＣＢ積層構造体を参照して記載されているが、本発明の趣旨から逸脱することなく２つ以上の下部／フレックスＰＣＢ積層構造体を利用して追加センサ層を提供することができる。

Claims (20)

  1. ロボットシステムのエンドエフェクタへの固定接続用に構成された装置であり、前記ロボットシステムが前記装置を標的物体と動作可能に相互作用させるときに、前記標的物体から導出されたセンサデータを前記ロボットシステムの制御回路に提供するように構成された装置であって、
    上面および反対側の下面を有する第１のプリント回路基板（ＰＣＢ）構造体であって、
    積層構成で固定式に相互接続された複数の第１の基板であって、それぞれがリジッド絶縁材料を含む複数の第１の基板と、
    前記上面に配置された複数の第１の電極および前記下面に配置された複数の入力／出力パッドと、
    複数の第１の信号経路であって、それぞれが、関連する前記第１の電極から関連する前記入力／出力パッドまで延びる連続した導電性構造体を含む複数の第１の信号経路と
    を含む第１のプリント回路基板（ＰＣＢ）構造体、
    複数の圧力センサを含む圧力センサアレイ、ならびに
    第２の上面および反対側の第２の下面を有する第２のＰＣＢ構造体であって、
    積層構成で固定式に相互接続された複数の第２の基板であって、それぞれがフレキシブル絶縁材料を含む複数の第２の基板と、
    前記下面に配置された複数の第２の電極と
    を含む第２のＰＣＢ構造体を備え、
    前記圧力センサアレイが、前記各圧力センサが関連する前記第１の電極と関連する前記第２の電極との間に電気的に接続されるように、前記第１のＰＣＢ構造体と前記第２のＰＣＢ構造体との間に挟まれる、装置。
  2. 前記リジッド絶縁材料が、ガラスエポキシ材料、セラミック、プラスチック、および絶縁金属のうちの１つを含み、
    前記フレキシブル絶縁材料が、ポリイミドおよびポリエチレンテレフタレートのうちの１つを含む、請求項１に記載の装置。
  3. 前記複数の圧力センサのそれぞれが、ひずみゲージ、容量性圧力センサ、キャビティベースの圧力センサ、圧電センサおよびピエゾ抵抗センサのうちの１つを含み、
    前記複数の圧力センサが、対称配置、非対称配置、およびランダムパターン配置のうちの１つで配置される、請求項２に記載の装置。
  4. 前記第１のＰＣＢ構造体の前記上面と前記第２のＰＣＢ構造体の前記下面との間に配置されたスペーサ構造体をさらに備え、
    前記スペーサ構造体は、複数のセンサ開口部を画定する１つまたは複数の絶縁材料層を含み、
    前記各圧力センサは、関連する前記センサ開口部内に配置される、請求項１に記載の装置。
  5. 前記スペーサ構造体の前記１つまたは複数の絶縁材料層の少なくとも一部が、前記各関連するセンサ開口部内に配置された前記各圧力センサの周りにファラデーケージを形成するように動作可能に構成された第１および第２の接地面構造体の間に挟まれる、請求項４に記載の装置。
  6. 前記第２のＰＣＢ構造体が、前記第２の下面に配置された複数の第１の接触パッドおよび複数の第２の接触パッドと、前記第２の上面に配置された複数の第３の電極と、複数の第２の信号経路とをさらに含み、
    前記各第２の信号経路が、関連する前記第２の接触パッドと、関連する前記第１の接触パッドおよび関連する前記第３の電極の１つとの間に延びる第２の連続した導電性構造体を含み、
    前記装置が、前記第２の上部／フレックスＰＣＢ構造体の前記第２の上面に配置された１つまたは複数の第２の追加センサをさらに備え、その結果、前記１つまたは複数の第２のセンサのそれぞれは、少なくとも１つの関連する前記第３の電極に電気的に接続される、
    請求項１に記載の装置。
  7. 前記第２の追加センサのそれぞれが、振動センサ、近接センサ、および温度センサのうちの１つを含む、請求項６に記載の装置。
  8. 前記第２のＰＣＢ構造体の前記第２の上面に配置された封入層をさらに備え、
    前記封入層は、前記動作可能な相互作用中、前記標的物体によって前記第２のＰＣＢ構造体に加えられる接触力に応答して弾性変形するフレキシブル材料からなる、請求項７に記載の装置。
  9. 前記入力／出力パッドに結合されたセンサ制御およびデータ処理回路をさらに備え、その結果、前記センサ制御およびデータ処理回路は、関連する前記第１の信号経路を介して前記各圧力センサを受信するように動作可能に結合される、請求項１に記載の装置。
  10. 前記センサ制御およびデータ処理回路が、前記複数の圧力センサによってそれぞれ生成されたアナログ圧力センサデータ値を対応するデジタル圧力センサ値に変換するように動作可能に構成されたアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）回路、前記デジタル圧力センサ値に応答して触覚情報を生成するように構成されたセンサデータ処理回路、および前記触覚情報を前記制御回路に伝送するように構成されたトランシーバ回路のうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の装置。
  11. ロボットシステムのエンドエフェクタへの固定接続用に構成された装置であり、前記ロボットシステムが前記装置を標的物体と動作可能に相互作用させるときに、前記標的物体から導出されたマルチモーダルセンサデータを前記ロボットシステムの制御回路に提供するように構成された装置であって、
    第１の上面および反対側の第１の下面を有する第１のプリント回路基板（ＰＣＢ）構造体であって、積層構成で固定式に相互接続された複数の第１の基板であって、それぞれがリジッド絶縁材料を含む複数の第１の基板を含み、前記第１のＰＣＢ構造体はまた、前記第１の上面に配置された複数の第１の電極および複数の第１の接触パッドと、前記第１の下面に配置された複数の入力／出力パッドと、複数の第１の信号経路とを含み、前記各第１の信号経路が、関連する前記入力／出力パッドと、関連する前記第１の電極および関連する前記第１の接触パッドの１つとの間に延びる連続した導電性構造体を含む、第１のプリント回路基板（ＰＣＢ）構造体、
    第２の上面および反対側の第２の下面を有する第２のプリント回路基板（ＰＣＢ）構造体であって、積層構成で固定式に相互接続された複数の第２の基板であって、それぞれがフレキシブル絶縁材料を含む複数の第２の基板を含み、前記第２のＰＣＢ構造体はまた、前記第２の下面に配置された複数の第２の電極および複数の第２の接触パッドと、前記第２の上面に配置された複数の第３の電極と、複数の第２の信号経路とを含み、前記各第２の信号経路が、関連する前記第２の接触パッドから、関連する前記第２の電極および関連する前記第３の電極の１つまで延びる第２の連続した導電性構造体を含む、第２のプリント回路基板（ＰＣＢ）構造体、
    前記第１のＰＣＢ構造体と前記第２のＰＣＢ構造体との間に配置された１つまたは複数の第１のセンサであって、前記各第１のセンサは少なくとも１つの関連する前記第１の電極に電気的に接続される、１つまたは複数の第１のセンサ、
    前記第２のＰＣＢ構造体の前記第２の上面に配置された１つまたは複数の第２のセンサであって、前記各追加センサが少なくとも１つの前記第３の電極に電気的に接続されている、１つまたは複数の第２のセンサ、ならびに、
    前記入力／出力パッドに動作可能に結合され、前記マルチモーダルセンサデータを前記第１および第２の信号経路を介して前記第１および第２のセンサから受信するように構成されたセンサ制御およびデータ処理回路、を備える装置。
  12. 前記リジッド絶縁材料が、ガラスエポキシ材料、セラミック、プラスチック、および絶縁金属のうちの１つを含み、
    前記フレキシブル絶縁材料が、ポリイミドおよびポリエチレンテレフタレートのうちの１つを含む、請求項１１に記載の装置。
  13. 前記複数の第１のセンサのそれぞれが、ひずみゲージ型圧力センサ、容量性圧力センサ、キャビティベースの圧力センサ、圧電センサおよびピエゾ抵抗センサのうちの１つを含み、
    前記複数の第２のセンサのそれぞれが、振動センサ、近接センサ、および温度センサのうちの１つを含む、請求項１１に記載の装置。
  14. 前記第１のＰＣＢ構造体の前記第１の上面と前記第２のＰＣＢ構造体の前記第２の下面との間に配置されたスペーサ構造体をさらに備え、
    前記スペーサ構造体は、複数のセンサ開口部を画定する１つまたは複数の絶縁材料層を含み、
    前記各第１のセンサは、関連する前記センサ開口部内に配置される、請求項１１に記載の装置。
  15. 前記スペーサ構造体が、前記１つまたは複数の絶縁材料層に配置され、前記複数のセンサ開口部のそれぞれの周りにファラデーケージを形成するように動作可能に構成された１つまたは複数の金属層をさらに含む、請求項１４に記載の装置。
  16. 前記第２のＰＣＢ構造体の前記第２の上面に配置された封入層をさらに備え、
    前記封入層は、前記動作可能な相互作用中、前記標的物体によって前記第２のＰＣＢ構造体に加えられる接触力に応答して弾性変形するフレキシブル材料からなる、請求項１に記載の装置。
  17. 前記入力／出力パッドに動作可能に結合されたセンサ制御およびデータ処理回路をさらに備え、その結果、前記センサ制御およびデータ処理回路は、少なくとも１つの関連する前記第１の信号経路を介して前記各圧力センサに結合される、請求項１に記載の装置。
  18. 前記センサ制御およびデータ処理回路が、前記複数の圧力センサによってそれぞれ生成されたアナログ圧力センサデータ値を対応するデジタル圧力センサ値に変換するように動作可能に構成されたアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）回路、前記デジタル圧力センサ値に応答して触覚情報を生成するように構成されたセンサデータ処理回路、および前記触覚情報を前記制御回路に伝送するように構成されたトランシーバ回路のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の装置。
  19. ロボットシステムのエンドエフェクタへの固定接続用に構成されたフレキシブル－リジッドセンサ装置であって、前記ロボットシステムが前記フレキシブル－リジッドセンサ装置を標的物体と動作可能に相互作用させるときに、前記ロボットシステムの制御回路による使用のために前記標的物体から導出されたセンサデータを提供するように構成されたフレキシブル－リジッドセンサ装置を製造する方法であって、
    リジッドプリント回路基板（ＰＣＢ）製造プロセスを利用して、複数の第１のセンサ電極を有する第１のプリント回路基板（ＰＣＢ）構造体を製造し、フレキシブルＰＣＢ製造プロセスを利用して、複数の第２のセンサ電極を有する第２のＰＣＢ構造体を製造すること、
    第１のはんだフラックス部分が前記各第１の圧力センサ電極に適用され、第２のはんだフラックス部分が前記各第２の圧力センサ電極に適用されるように、はんだフラックス部分を前記第１および第２のＰＣＢ構造体に適用すること、
    各圧力センサの下面が関連する第１の前記はんだフラックス部分に接触するように、および前記各圧力センサの上面が関連する前記第２のはんだフラックス部分に接触するように、前記第１および第２のＰＣＢ構造体の間に複数の圧電型圧力センサを取り付けること、および、
    前記第１のはんだフラックス部分および前記第２のはんだフラックス部分のそれぞれが、前記圧力センサと、前記関連する下部圧力センサ電極および前記関連する上部圧力センサ電極のそれぞれとの間に導電性接続を形成するように、はんだリフロープロセスを実行すること、を含む方法。
  20. 前記フレキシブルＰＣＢ製造プロセスを利用して、複数のセンサ開口部を画定する１つまたは複数の絶縁材料層を含むスペーサ構造体を作製することをさらに含み、
    前記取り付けることは、前記各圧力センサが、関連する前記センサ開口部内に配置されるように、前記スペーサ構造体を前記第１のＰＣＢ構造体の前記上面と、前記第２のＰＣＢ構造体の前記下面との間に配置することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
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