JP4273397B2 - 触覚センサ - Google Patents
触覚センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP4273397B2 JP4273397B2 JP2003170573A JP2003170573A JP4273397B2 JP 4273397 B2 JP4273397 B2 JP 4273397B2 JP 2003170573 A JP2003170573 A JP 2003170573A JP 2003170573 A JP2003170573 A JP 2003170573A JP 4273397 B2 JP4273397 B2 JP 4273397B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- elastic body
- layer elastic
- hardness
- sensitive element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Force In General (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Manipulator (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、ロボットに適用される触覚センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
介護用などの、人間と環境を共有し、人間と力学的相互作用を行うロボットは、人間およびロボットの安全のため、また、巧みな力学的操作を行うために、表面を柔軟な材料で覆われ、接触の位置および強度を検出できる必要がある。
【０００３】
そのためには、柔軟で、曲面状のロボット表面に装着でき、大面積を覆え、必要な空間分解能、測定レンジ、および測定分解能を有する触覚センサが必要である（非特許文献１〜４参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
日本ロボット学会誌Vol.20 No.4,pp.385〜388,2002 篠田祐介氏「接触センシングの現状と今後の展開」
【非特許文献２】
（社）計測自動制御学会 システムインテグレーション部門 講演会プログラム 河合隆志氏等「把持力制御のための曲面ひずみ分布センサの開発」
【非特許文献３】
IEEE International Conference on Robotics Automation 0-7803-1965/95 S4.00 1995 IEEE Shinoda.et al「Tactile Sensing Using Tensor Cell」
【非特許文献４】
Advanced robotics,Vol.16,No.4,pp.381-397(2002)cVSP and Robotics Society of Japan 2002 Tajima.et.al「Development of Soft and Distributed Tactile sensors and the application to a Humanoid Robot」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
現在、商業的に利用可能な２次元分布をもつ圧力センサとして感圧導電性ゴムを用いたフィルム状のものがあるが、精度（ヒステリシス特性、クリープ特性）、せん断応力が検出不可能、柔軟性などの点で問題があり、人間共存ロボットでの使用に適したものとなっていない。
【０００６】
本発明の目的は、ロボットの接触機能において垂直応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供することにある。
【０００７】
また、本発明の目的は、ロボットの接触機能においてせん断応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するため、触覚センサであって、圧力検出部位を有する感圧素子と、第１の硬度を有し、表面に前記感圧素子の圧力検出部位が露出するように前記感圧素子を埋め込んで固持させる第１層目の弾性体と、第２の硬度を有し、前記感圧素子の圧力検出部位の外側で前記第１層目の弾性体上に積層させる第２層目の弾性体と、第３の硬度を有し、前記感圧素子の圧力検出部位上および前記第２層目の弾性体上に積層させる第３層目の弾性体とを組み合わせて、外部から受ける応力を前記感圧素子の圧力検出部位に誘導させる構造を有した本体と、を備え、前記第３の硬度は、前記第２の硬度に比して高い硬度であることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記感圧素子により検出される圧力に基づいて垂直応力を得ることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記第３層目の弾性体は、前記感圧素子の圧力検出部位から上方かつ当該第３層目の弾性体の外表面に向かって末広がり形状に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明に係る触覚センサは、触覚センサであって、圧力検出部位を有する複数の感圧素子と、第１の硬度を有し、表面に前記複数の感圧素子の圧力検出部位が並列に配置され、かつ露出するように前記複数の感圧素子を埋め込んで固持させる第１層目の弾性体と、第２の硬度を有し、前記各感圧素子の圧力検出部位の外側で前記第１層目の弾性体上に積層させる第２層目の弾性体と、第３の硬度を有し、前記各感圧素子の圧力検出部位上および前記第２層目の弾性体上に積層させる第３層目の弾性体とを組み合わせて、外部から受ける応力を前記各感圧素子の圧力検出部位に誘導させる構造を有した本体と、を備え、前記第３の硬度は、前記第２の硬度に比して高い硬度であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記各感圧素子の圧力検出部位により検出される圧力に基づいて垂直圧力を得て、当該得られた２つの垂直圧力に基づいてせん断応力を得ることを特徴とする。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項４または５の発明において、前記第３層目の弾性体は、前記各感圧素子の圧力検出部位から上方かつ当該第３層目の弾性体の外表面に向かって末広がり形状に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか１つにかかる発明において、前記第１の硬度は、前記第２の硬度に比して高いまたは同じ硬度であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る好適な実施の形態について詳述する。
【００１６】
（実施の形態１）
まず、構成について説明する。図１（Ａ）は本発明の実施の形態１による触覚センサの構成を示す外観斜視図であり、同図（Ｂ）は触覚センサの側断面図である。図１において、１は本実施の形態１による触覚センサを示している。
【００１７】
触覚センサ１は、所定の硬度をそれぞれ有する第１層、第２層、第３層弾性体３、４、５を組み合わせ、その弾性体中に感圧素子２を埋め込んだ構成であり、外部からセンサ表面にかかった応力を効率よく感圧素子２の圧力検出部位に誘導するものである。この構成により、垂直応力を感度よく検出して、一種の増幅機能を持たせることが可能となる。
【００１８】
感圧素子２は、絶対圧を計測できる圧力センサであり、表面において圧力検出部位を有している。この感圧素子２は、たとえばΦ５．８ｍｍの円柱状に設けられている。この感圧素子２として、フジクラ製のＦＰＢＳ−０４Ａ等がある。この場合、ダイアフラム上に抵抗ブリッジをもち、４２．６〜４３４．７ｋＰａの絶対圧力を測定することができる。
【００１９】
本実施の形態による触覚センサ１は、人間共存ロボットの表面を覆うことを前提にしており、大面積を覆えるとともに、人間の皮膚のように柔らかく、ロボット外装曲面にフィットする必要がある。したがって、上述の第１層、第２層および第３層弾性体３、４、５に圧力検出部位を有する感圧素子２が埋め込まれた構造となる。実際に、触覚センサ１を人間共存ロボットに適用するためには、触覚センサ１のアレイを多数作り、このアレイをロボット表面にタイル状に並べることにより、ロボットの全身を覆うことが可能となる。なお、人間の手の平の空間分解能が１ｃｍ程度なので、最低でも分解能１ｃｍが実現できることが望ましい。
【００２０】
第１層弾性体３、第２層弾性体４、第３層弾性体５により本体が構成される。第１層弾性体３、第２層弾性体４、第３層弾性体５において、硬度を高くする場合（硬い硬度の場合）は、シリコンゴム等により構成することができる。シリコンゴムとしては、たとえばＨｓ５０ ＪＩＳＡが適用可能である。また、硬度を低くする場合（柔らかい硬度の場合）は、ポリウレタン樹脂等により構成することができる。ポリウレタン樹脂として、たとえばアスカーＣ硬度１５が適用可能である。
【００２１】
第１層弾性体３は、表面に感圧素子２の圧力検出部位が露出するように感圧素子２を埋め込んで固持させている。第２層弾性体４は、感圧素子２の圧力検出部位の外側（外周近傍）で第１層弾性体３上に積層されている。第３層弾性体５は、感圧素子２の圧力検出部位上であるとともに第２層弾性体４上に積層されている。
【００２２】
第３層弾性体５は、図１（Ｂ）に示すように、感圧素子２の圧力検出部位から上方に向かって、当該第３層目の弾性体の外表面に向かって末広がり形状に設けられている。第３層弾性体５は外表面から内部すなわち圧力検出部位に行くに従い徐々に細くした構造なので、外部から触覚センサ１の表面にかかった応力が感圧素子２の圧力検出部位（ダイアフラム）に誘導され、集中することになる。これにより、図示せぬが、感圧素子２により検出された圧力に基づいて垂直応力を得ることが可能となる。本体を所定の硬度をそれぞれ有する第１、第２および第３弾性体３、４、５の組み合わせで構成し、圧力検出部位に応力を集中させる仕組みは、人間の皮膚の構造に相当する。
【００２３】
ここで、本体を構成する弾性体のサイズ、硬さの違いによる構造解析結果について述べる。図２、図３、図４はそれぞれ本実施の形態による構造解析結果を説明する図である。図２（Ａ）、図３（Ａ）、図４（Ａ）は、それぞれ構造解析を説明するために図１（Ａ）の触覚センサ１を縦（ｚ）方向に１／４に切断した斜視図を示し、好適な構造をそれぞれタイプ１、タイプ２、タイプ３とする。図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）は、それぞれタイプ１、タイプ２、タイプ３の構造解析結果の応力分布を示している。
【００２４】
タイプ１、２では、第１層弾性体３と第３層弾性体５は硬度が高く、第２層弾性体４は硬度が低い場合を示し、タイプ３では、第１層弾性体３と第２層弾性体４の硬度が低く、第３層弾性体５は硬度が高い場合を示している。
【００２５】
図１（Ａ）の触覚センサ１の外表面における縦（ｚ）方向では、タイプ１の場合には、図２（Ａ）に示すように、第１層弾性体３の厚さを３ｍｍ、第３層弾性体５の厚みを１ｍｍ、第２層弾性体４の厚みをｘｍｍとしている。タイプ２の場合は、図３（Ａ）に示すように、第１層弾性体３の厚みをタイプ１よりも薄い１ｍｍ、第３層弾性体５の厚みをタイプ１よりも薄い１ｍｍ、第２層弾性体４の厚みをｘｍｍとしている。タイプ３の場合には、図４（Ａ）に示すように、第３層弾性体３の厚みを１ｍｍ、第１層弾性体３と第２層弾性体４の硬度を、第３層弾性体５よりも柔らかい同一硬度としてその厚みをｘｍｍとしている。
【００２６】
各タイプ１、２、３において、触覚センサ１に対して第１層弾性体３の外表面から応力がかかると、図２、図３、図４に示したように、応力分布が明らかとなる。図２（Ａ）、図３（Ａ）、図４（Ａ）において、実線の矢印は表面にかかっている応力を示している。破線の矢印は拘束を表している。構造解析結果を示す図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）では、感圧素子２の圧力検出部位で赤色系の色が多くなっている。これは、感圧素子２の圧力検出部位に応力が集中していることを示す。また、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）の右側に示すカラーバーにおいて、カラーバー上方から下方に向かって、図１（Ｂ）における下向きの垂直応力が増していることを示す。
【００２７】
具体的には、触覚センサ１の本体表面に０．１ｋｇｆ／ｃｍ2をかけ、xを変えることで全体の厚さを５．５〜１１．５ｍｍまで変化させた時の、圧力検出部位での応力の計算値を図５に示す。縦軸にＺ方向応力［ｋｇｆ／ｃｍ2］、横軸にｘに対応する全体の厚さ［ｍｍ］をとっている。
【００２８】
なお、弾性体に３層構造を持たせず均一の硬度にした場合には、当然ながら圧力検出部位で０．１００ｋｇｆ／ｃｍ2という計算結果が得られる。また、硬い弾性体の均一構造のタイプ、前述のタイプ１、タイプ３のそれぞれに同じ力をかけ、その後圧力を除いた際の触覚センサ１の出力の大きさの時間変化を図６に示す。縦軸に感度を示すセンサ出力［Ｖ］をとっている。圧力をかける時と除く時には不安定な力がかかるため、安定した出力が得られる時のみで比較する。このように構造を持たせた場合には、とくに６０×１００［ｍｓ］〜８５×１００［ｍｓ］のところでタイプ３とタイプ１が０．００２［Ｖ］近傍のセンサ出力となっていることから、均一構造のタイプに比べて感度が大幅に大きくなっていることが分かる。
【００２９】
以上説明したように本実施の形態１によれば、ロボットの接触機能において垂直応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供できる。また、タイプ１において、第１層弾性体３を第２層弾性体４に比して硬くした場合は、上面から接触したときの凹凸を小さくできる。また、第１層弾性体３と第２層弾性体４とを同じ低い硬度とした場合は、製造が容易でかつ全体的に柔らかくすることが可能となる。なお、上述のタイプ１〜３は、好適な構造の一例であって、本発明はこれに限られるものではない。
【００３０】
（実施の形態２）
つづいて、本実施の形態２の触覚センサについて説明する。図７（Ａ）は本発明の実施の形態２による触覚センサの構成を示す外観斜視図であり、同図（Ｂ）は触覚センサの側断面図である。図７において、１０は本実施の形態２による触覚センサを示している。
【００３１】
触覚センサ１０は、所定の硬度をそれぞれ有する第１層、第２層、第３層弾性体１３、１４、１５を組み合わせ、その弾性体中に面状の感圧素子１１、１２を埋め込んだ構成であり、外部からセンサ表面にかかった応力を効率よく感圧素子１１、１２の各圧力検出部位に誘導するものである。この構成により、垂直応力を感度よく検出して、一種の増幅機能を持たせることが可能となる。
【００３２】
第１層弾性体１３、第２層弾性体１４、第３層弾性体１５により本体が構成される。第１層弾性体１３は、表面に感圧素子１１、１２の各圧力検出部位が露出するように感圧素子１１、１２を並列に埋め込んで固持させている。第２層弾性体１４は、感圧素子１１、１２の圧力検出部位の外側（外周近傍）で第１層弾性体１３上に積層されている。第３層弾性体１５は、感圧素子１１、１２の圧力検出部位上であるとともに第２層弾性体１４上に積層されている。
【００３３】
第３層弾性体１５は、図７（Ｂ）に示すように、感圧素子１１、１２の圧力検出部位からそれぞれ上方に向かって、当該第３層目の弾性体の外表面に向かって末広がり形状に設けられている。第３層弾性体１５は外表面から内部すなわち感圧素子１１、１２の各圧力検出部位に行くに従い徐々に細くした構造なので、外部から触覚センサ１０の表面にかかった応力が感圧素子１１、１２の圧力検出部位（ダイアフラム）にそれぞれ誘導され、それぞれに集中することになる。
【００３４】
これにより、図示せぬが、感圧素子１１、１２によりそれぞれ検出された圧力に基づいてそれぞれの垂直応力を得ることが可能となる。所定の硬度をそれぞれ有する第１、第２および第３弾性体１３、１４、１５の組み合わせで圧力検出部位に応力を集中させる仕組みは、前述の実施の形態１と同様に人間の皮膚の構造に相当する。
【００３５】
各感圧素子１１、１２による圧力検出は前述した実施の形態１の通り同様なので、以下にせん断応力についてのみ説明する。外部より触覚センサ１０の外表面に２つの感圧素子１１、１２を結ぶ方向のせん断応力がかかった場合、第３層弾性体１５の下方に伸びる部分（第１層弾性体１３に向かう部分）には回転の力がかかる。たとえば図７（Ａ）で上方から見て右向きのせん断応力がかかった場合、左の感圧素子１１には上向きの垂直応力がかかり、右の感圧素子１２には下向きの垂直応力がかかる。したがって、それぞれの垂直応力を検出して左右の感圧素子１１、１２の応力の差をとることにより、せん断応力を検出することができる。
【００３６】
そして、構造解析においては、好適な構造として、第３層弾性体１５の高い硬度に対して第１、第２層弾性体１３、１４はともに柔らかい硬度とした場合（実施の形態１のタイプ３）を図８に示す。図８は、図７（Ａ）の触覚センサ１０を縦（ｚ）方向に１／２に切断した斜視図を示している。実線で示す矢印方向にせん断応力をかけるものとする。なお、点線矢印は拘束を示す。
【００３７】
構造解析結果を図９に示す。図１０は第３層弾性体１５部分を取り出したものである。右側に示すカラーバーにおいて、カラーバーの上方が上向きの垂直応力を示し、カラーバーの下方が下向きの垂直応力を示している。図９および図１０から左右の感圧素子１１、１２に異なる垂直応力がかかっていることがわかる。すなわち、上方から見て右向きのせん断応力がかかった場合、左の感圧素子１１には上向きの垂直応力がかかり、右の感圧素子１２には下向きの垂直応力がかかる。
【００３８】
ここで、比較のために、均一構造（硬い弾性体）で同じ解析を行った結果を図１１に示す。図１２は第３層弾性体１５部分を取り出したものである。図１０および図１２から明らかなように、感圧素子１１、１２の圧力検出部位にはどちらもほとんど垂直応力がかかっていないことが分かる。感圧素子１１、１２の圧力検出部位にかかる応力の計算結果を図１３に示す。
【００３９】
図１３において、本実施の形態２による触覚センサ１０の構造によれば、左の感圧素子１１は上向きのため０．２６６２７［ｋｇｆ／ｃｍ2］の接点応力となり、右の感圧素子１２は下向きのため−０．２６２３３［ｋｇｆ／ｃｍ2］の接点応力となっている。これに対して、均一で硬い弾性体による触覚センサの構造によれば、同条件で左の感圧素子は０．０３４５６［ｋｇｆ／ｃｍ2］の接点応力となり、右の感圧素子は−０．０３６５２［ｋｇｆ／ｃｍ2］の接点応力となっている。
【００４０】
このように、本実施の形態２の構造と均一で硬い弾性体とでは垂直応力の感度に大きな相違が生じることになり、本実施の形態２による構造が好適であることは明らかとなる。また、このようにして垂直応力を取得できることにより、せん断応力の取得が可能となる。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態２によれば、ロボットの接触機能においてせん断応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供できる。なお、実施の形態２では、第３層弾性体１５を高い硬度とし、第１、第２層弾性体１３、１４をともに低い硬度とした場合（実施の形態１のタイプ３）を説明したが、これは好適な構造の一例であって、本発明はこれに限られるものではない。実施の形態２においても、構造解析結果の説明は省略するが、たとえば、上記実施の形態１のタイプ１、２の硬度とした構造でも好適な結果を得ることができる。
【００４２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。たとえば、上記実施の形態１、２では、感圧素子を円柱形の構造としたが、本発明はこれに限られるものではなく、他の形状としても良い。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ロボットの接触機能において垂直応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供できるという効果を奏する。
【００４４】
また、本発明によれば、ロボットの接触機能においてせん断応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態１による触覚センサの構成を示す図である。
【図２】本実施の形態１による構造解析結果を説明する図である。
【図３】本実施の形態１による構造解析結果を説明する図である。
【図４】本実施の形態１による構造解析結果を説明する図である。
【図５】本実施の形態１による垂直（Ｚ方向）応力を説明する図である。
【図６】本実施の形態１によるセンサ出力を説明する図である。
【図７】本実施の形態２による触覚センサの構成を示す図である。
【図８】本実施の形態２による構造解析結果を説明する図である。
【図９】本実施の形態２による構造解析結果を説明する図である。
【図１０】本実施の形態２による構造解析結果を説明する図である。
【図１１】本実施の形態２による構造解析結果を説明する図である。
【図１２】本実施の形態２による構造解析結果を説明する図である。
【図１３】本実施の形態２による応力計算結果を説明する図である。
【符号の説明】
１ 触覚センサ
２ 感圧素子
３ 第１層弾性体
４ 第２層弾性体
５ 第３層弾性体
１０ 触覚センサ
１１、１２ 感圧素子
１３ 第１層弾性体
１４ 第２層弾性体
１５ 第３層弾性体
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、ロボットに適用される触覚センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
介護用などの、人間と環境を共有し、人間と力学的相互作用を行うロボットは、人間およびロボットの安全のため、また、巧みな力学的操作を行うために、表面を柔軟な材料で覆われ、接触の位置および強度を検出できる必要がある。
【０００３】
そのためには、柔軟で、曲面状のロボット表面に装着でき、大面積を覆え、必要な空間分解能、測定レンジ、および測定分解能を有する触覚センサが必要である（非特許文献１〜４参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
日本ロボット学会誌Vol.20 No.4,pp.385〜388,2002 篠田祐介氏「接触センシングの現状と今後の展開」
【非特許文献２】
（社）計測自動制御学会 システムインテグレーション部門 講演会プログラム 河合隆志氏等「把持力制御のための曲面ひずみ分布センサの開発」
【非特許文献３】
IEEE International Conference on Robotics Automation 0-7803-1965/95 S4.00 1995 IEEE Shinoda.et al「Tactile Sensing Using Tensor Cell」
【非特許文献４】
Advanced robotics,Vol.16,No.4,pp.381-397(2002)cVSP and Robotics Society of Japan 2002 Tajima.et.al「Development of Soft and Distributed Tactile sensors and the application to a Humanoid Robot」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
現在、商業的に利用可能な２次元分布をもつ圧力センサとして感圧導電性ゴムを用いたフィルム状のものがあるが、精度（ヒステリシス特性、クリープ特性）、せん断応力が検出不可能、柔軟性などの点で問題があり、人間共存ロボットでの使用に適したものとなっていない。
【０００６】
本発明の目的は、ロボットの接触機能において垂直応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供することにある。
【０００７】
また、本発明の目的は、ロボットの接触機能においてせん断応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するため、触覚センサであって、圧力検出部位を有する感圧素子と、第１の硬度を有し、表面に前記感圧素子の圧力検出部位が露出するように前記感圧素子を埋め込んで固持させる第１層目の弾性体と、第２の硬度を有し、前記感圧素子の圧力検出部位の外側で前記第１層目の弾性体上に積層させる第２層目の弾性体と、第３の硬度を有し、前記感圧素子の圧力検出部位上および前記第２層目の弾性体上に積層させる第３層目の弾性体とを組み合わせて、外部から受ける応力を前記感圧素子の圧力検出部位に誘導させる構造を有した本体と、を備え、前記第３の硬度は、前記第２の硬度に比して高い硬度であることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記感圧素子により検出される圧力に基づいて垂直応力を得ることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記第３層目の弾性体は、前記感圧素子の圧力検出部位から上方かつ当該第３層目の弾性体の外表面に向かって末広がり形状に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明に係る触覚センサは、触覚センサであって、圧力検出部位を有する複数の感圧素子と、第１の硬度を有し、表面に前記複数の感圧素子の圧力検出部位が並列に配置され、かつ露出するように前記複数の感圧素子を埋め込んで固持させる第１層目の弾性体と、第２の硬度を有し、前記各感圧素子の圧力検出部位の外側で前記第１層目の弾性体上に積層させる第２層目の弾性体と、第３の硬度を有し、前記各感圧素子の圧力検出部位上および前記第２層目の弾性体上に積層させる第３層目の弾性体とを組み合わせて、外部から受ける応力を前記各感圧素子の圧力検出部位に誘導させる構造を有した本体と、を備え、前記第３の硬度は、前記第２の硬度に比して高い硬度であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記各感圧素子の圧力検出部位により検出される圧力に基づいて垂直圧力を得て、当該得られた２つの垂直圧力に基づいてせん断応力を得ることを特徴とする。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項４または５の発明において、前記第３層目の弾性体は、前記各感圧素子の圧力検出部位から上方かつ当該第３層目の弾性体の外表面に向かって末広がり形状に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか１つにかかる発明において、前記第１の硬度は、前記第２の硬度に比して高いまたは同じ硬度であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る好適な実施の形態について詳述する。
【００１６】
（実施の形態１）
まず、構成について説明する。図１（Ａ）は本発明の実施の形態１による触覚センサの構成を示す外観斜視図であり、同図（Ｂ）は触覚センサの側断面図である。図１において、１は本実施の形態１による触覚センサを示している。
【００１７】
触覚センサ１は、所定の硬度をそれぞれ有する第１層、第２層、第３層弾性体３、４、５を組み合わせ、その弾性体中に感圧素子２を埋め込んだ構成であり、外部からセンサ表面にかかった応力を効率よく感圧素子２の圧力検出部位に誘導するものである。この構成により、垂直応力を感度よく検出して、一種の増幅機能を持たせることが可能となる。
【００１８】
感圧素子２は、絶対圧を計測できる圧力センサであり、表面において圧力検出部位を有している。この感圧素子２は、たとえばΦ５．８ｍｍの円柱状に設けられている。この感圧素子２として、フジクラ製のＦＰＢＳ−０４Ａ等がある。この場合、ダイアフラム上に抵抗ブリッジをもち、４２．６〜４３４．７ｋＰａの絶対圧力を測定することができる。
【００１９】
本実施の形態による触覚センサ１は、人間共存ロボットの表面を覆うことを前提にしており、大面積を覆えるとともに、人間の皮膚のように柔らかく、ロボット外装曲面にフィットする必要がある。したがって、上述の第１層、第２層および第３層弾性体３、４、５に圧力検出部位を有する感圧素子２が埋め込まれた構造となる。実際に、触覚センサ１を人間共存ロボットに適用するためには、触覚センサ１のアレイを多数作り、このアレイをロボット表面にタイル状に並べることにより、ロボットの全身を覆うことが可能となる。なお、人間の手の平の空間分解能が１ｃｍ程度なので、最低でも分解能１ｃｍが実現できることが望ましい。
【００２０】
第１層弾性体３、第２層弾性体４、第３層弾性体５により本体が構成される。第１層弾性体３、第２層弾性体４、第３層弾性体５において、硬度を高くする場合（硬い硬度の場合）は、シリコンゴム等により構成することができる。シリコンゴムとしては、たとえばＨｓ５０ ＪＩＳＡが適用可能である。また、硬度を低くする場合（柔らかい硬度の場合）は、ポリウレタン樹脂等により構成することができる。ポリウレタン樹脂として、たとえばアスカーＣ硬度１５が適用可能である。
【００２１】
第１層弾性体３は、表面に感圧素子２の圧力検出部位が露出するように感圧素子２を埋め込んで固持させている。第２層弾性体４は、感圧素子２の圧力検出部位の外側（外周近傍）で第１層弾性体３上に積層されている。第３層弾性体５は、感圧素子２の圧力検出部位上であるとともに第２層弾性体４上に積層されている。
【００２２】
第３層弾性体５は、図１（Ｂ）に示すように、感圧素子２の圧力検出部位から上方に向かって、当該第３層目の弾性体の外表面に向かって末広がり形状に設けられている。第３層弾性体５は外表面から内部すなわち圧力検出部位に行くに従い徐々に細くした構造なので、外部から触覚センサ１の表面にかかった応力が感圧素子２の圧力検出部位（ダイアフラム）に誘導され、集中することになる。これにより、図示せぬが、感圧素子２により検出された圧力に基づいて垂直応力を得ることが可能となる。本体を所定の硬度をそれぞれ有する第１、第２および第３弾性体３、４、５の組み合わせで構成し、圧力検出部位に応力を集中させる仕組みは、人間の皮膚の構造に相当する。
【００２３】
ここで、本体を構成する弾性体のサイズ、硬さの違いによる構造解析結果について述べる。図２、図３、図４はそれぞれ本実施の形態による構造解析結果を説明する図である。図２（Ａ）、図３（Ａ）、図４（Ａ）は、それぞれ構造解析を説明するために図１（Ａ）の触覚センサ１を縦（ｚ）方向に１／４に切断した斜視図を示し、好適な構造をそれぞれタイプ１、タイプ２、タイプ３とする。図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）は、それぞれタイプ１、タイプ２、タイプ３の構造解析結果の応力分布を示している。
【００２４】
タイプ１、２では、第１層弾性体３と第３層弾性体５は硬度が高く、第２層弾性体４は硬度が低い場合を示し、タイプ３では、第１層弾性体３と第２層弾性体４の硬度が低く、第３層弾性体５は硬度が高い場合を示している。
【００２５】
図１（Ａ）の触覚センサ１の外表面における縦（ｚ）方向では、タイプ１の場合には、図２（Ａ）に示すように、第１層弾性体３の厚さを３ｍｍ、第３層弾性体５の厚みを１ｍｍ、第２層弾性体４の厚みをｘｍｍとしている。タイプ２の場合は、図３（Ａ）に示すように、第１層弾性体３の厚みをタイプ１よりも薄い１ｍｍ、第３層弾性体５の厚みをタイプ１よりも薄い１ｍｍ、第２層弾性体４の厚みをｘｍｍとしている。タイプ３の場合には、図４（Ａ）に示すように、第３層弾性体３の厚みを１ｍｍ、第１層弾性体３と第２層弾性体４の硬度を、第３層弾性体５よりも柔らかい同一硬度としてその厚みをｘｍｍとしている。
【００２６】
各タイプ１、２、３において、触覚センサ１に対して第１層弾性体３の外表面から応力がかかると、図２、図３、図４に示したように、応力分布が明らかとなる。図２（Ａ）、図３（Ａ）、図４（Ａ）において、実線の矢印は表面にかかっている応力を示している。破線の矢印は拘束を表している。構造解析結果を示す図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）では、感圧素子２の圧力検出部位で赤色系の色が多くなっている。これは、感圧素子２の圧力検出部位に応力が集中していることを示す。また、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）の右側に示すカラーバーにおいて、カラーバー上方から下方に向かって、図１（Ｂ）における下向きの垂直応力が増していることを示す。
【００２７】
具体的には、触覚センサ１の本体表面に０．１ｋｇｆ／ｃｍ2をかけ、xを変えることで全体の厚さを５．５〜１１．５ｍｍまで変化させた時の、圧力検出部位での応力の計算値を図５に示す。縦軸にＺ方向応力［ｋｇｆ／ｃｍ2］、横軸にｘに対応する全体の厚さ［ｍｍ］をとっている。
【００２８】
なお、弾性体に３層構造を持たせず均一の硬度にした場合には、当然ながら圧力検出部位で０．１００ｋｇｆ／ｃｍ2という計算結果が得られる。また、硬い弾性体の均一構造のタイプ、前述のタイプ１、タイプ３のそれぞれに同じ力をかけ、その後圧力を除いた際の触覚センサ１の出力の大きさの時間変化を図６に示す。縦軸に感度を示すセンサ出力［Ｖ］をとっている。圧力をかける時と除く時には不安定な力がかかるため、安定した出力が得られる時のみで比較する。このように構造を持たせた場合には、とくに６０×１００［ｍｓ］〜８５×１００［ｍｓ］のところでタイプ３とタイプ１が０．００２［Ｖ］近傍のセンサ出力となっていることから、均一構造のタイプに比べて感度が大幅に大きくなっていることが分かる。
【００２９】
以上説明したように本実施の形態１によれば、ロボットの接触機能において垂直応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供できる。また、タイプ１において、第１層弾性体３を第２層弾性体４に比して硬くした場合は、上面から接触したときの凹凸を小さくできる。また、第１層弾性体３と第２層弾性体４とを同じ低い硬度とした場合は、製造が容易でかつ全体的に柔らかくすることが可能となる。なお、上述のタイプ１〜３は、好適な構造の一例であって、本発明はこれに限られるものではない。
【００３０】
（実施の形態２）
つづいて、本実施の形態２の触覚センサについて説明する。図７（Ａ）は本発明の実施の形態２による触覚センサの構成を示す外観斜視図であり、同図（Ｂ）は触覚センサの側断面図である。図７において、１０は本実施の形態２による触覚センサを示している。
【００３１】
触覚センサ１０は、所定の硬度をそれぞれ有する第１層、第２層、第３層弾性体１３、１４、１５を組み合わせ、その弾性体中に面状の感圧素子１１、１２を埋め込んだ構成であり、外部からセンサ表面にかかった応力を効率よく感圧素子１１、１２の各圧力検出部位に誘導するものである。この構成により、垂直応力を感度よく検出して、一種の増幅機能を持たせることが可能となる。
【００３２】
第１層弾性体１３、第２層弾性体１４、第３層弾性体１５により本体が構成される。第１層弾性体１３は、表面に感圧素子１１、１２の各圧力検出部位が露出するように感圧素子１１、１２を並列に埋め込んで固持させている。第２層弾性体１４は、感圧素子１１、１２の圧力検出部位の外側（外周近傍）で第１層弾性体１３上に積層されている。第３層弾性体１５は、感圧素子１１、１２の圧力検出部位上であるとともに第２層弾性体１４上に積層されている。
【００３３】
第３層弾性体１５は、図７（Ｂ）に示すように、感圧素子１１、１２の圧力検出部位からそれぞれ上方に向かって、当該第３層目の弾性体の外表面に向かって末広がり形状に設けられている。第３層弾性体１５は外表面から内部すなわち感圧素子１１、１２の各圧力検出部位に行くに従い徐々に細くした構造なので、外部から触覚センサ１０の表面にかかった応力が感圧素子１１、１２の圧力検出部位（ダイアフラム）にそれぞれ誘導され、それぞれに集中することになる。
【００３４】
これにより、図示せぬが、感圧素子１１、１２によりそれぞれ検出された圧力に基づいてそれぞれの垂直応力を得ることが可能となる。所定の硬度をそれぞれ有する第１、第２および第３弾性体１３、１４、１５の組み合わせで圧力検出部位に応力を集中させる仕組みは、前述の実施の形態１と同様に人間の皮膚の構造に相当する。
【００３５】
各感圧素子１１、１２による圧力検出は前述した実施の形態１の通り同様なので、以下にせん断応力についてのみ説明する。外部より触覚センサ１０の外表面に２つの感圧素子１１、１２を結ぶ方向のせん断応力がかかった場合、第３層弾性体１５の下方に伸びる部分（第１層弾性体１３に向かう部分）には回転の力がかかる。たとえば図７（Ａ）で上方から見て右向きのせん断応力がかかった場合、左の感圧素子１１には上向きの垂直応力がかかり、右の感圧素子１２には下向きの垂直応力がかかる。したがって、それぞれの垂直応力を検出して左右の感圧素子１１、１２の応力の差をとることにより、せん断応力を検出することができる。
【００３６】
そして、構造解析においては、好適な構造として、第３層弾性体１５の高い硬度に対して第１、第２層弾性体１３、１４はともに柔らかい硬度とした場合（実施の形態１のタイプ３）を図８に示す。図８は、図７（Ａ）の触覚センサ１０を縦（ｚ）方向に１／２に切断した斜視図を示している。実線で示す矢印方向にせん断応力をかけるものとする。なお、点線矢印は拘束を示す。
【００３７】
構造解析結果を図９に示す。図１０は第３層弾性体１５部分を取り出したものである。右側に示すカラーバーにおいて、カラーバーの上方が上向きの垂直応力を示し、カラーバーの下方が下向きの垂直応力を示している。図９および図１０から左右の感圧素子１１、１２に異なる垂直応力がかかっていることがわかる。すなわち、上方から見て右向きのせん断応力がかかった場合、左の感圧素子１１には上向きの垂直応力がかかり、右の感圧素子１２には下向きの垂直応力がかかる。
【００３８】
ここで、比較のために、均一構造（硬い弾性体）で同じ解析を行った結果を図１１に示す。図１２は第３層弾性体１５部分を取り出したものである。図１０および図１２から明らかなように、感圧素子１１、１２の圧力検出部位にはどちらもほとんど垂直応力がかかっていないことが分かる。感圧素子１１、１２の圧力検出部位にかかる応力の計算結果を図１３に示す。
【００３９】
図１３において、本実施の形態２による触覚センサ１０の構造によれば、左の感圧素子１１は上向きのため０．２６６２７［ｋｇｆ／ｃｍ2］の接点応力となり、右の感圧素子１２は下向きのため−０．２６２３３［ｋｇｆ／ｃｍ2］の接点応力となっている。これに対して、均一で硬い弾性体による触覚センサの構造によれば、同条件で左の感圧素子は０．０３４５６［ｋｇｆ／ｃｍ2］の接点応力となり、右の感圧素子は−０．０３６５２［ｋｇｆ／ｃｍ2］の接点応力となっている。
【００４０】
このように、本実施の形態２の構造と均一で硬い弾性体とでは垂直応力の感度に大きな相違が生じることになり、本実施の形態２による構造が好適であることは明らかとなる。また、このようにして垂直応力を取得できることにより、せん断応力の取得が可能となる。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態２によれば、ロボットの接触機能においてせん断応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供できる。なお、実施の形態２では、第３層弾性体１５を高い硬度とし、第１、第２層弾性体１３、１４をともに低い硬度とした場合（実施の形態１のタイプ３）を説明したが、これは好適な構造の一例であって、本発明はこれに限られるものではない。実施の形態２においても、構造解析結果の説明は省略するが、たとえば、上記実施の形態１のタイプ１、２の硬度とした構造でも好適な結果を得ることができる。
【００４２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。たとえば、上記実施の形態１、２では、感圧素子を円柱形の構造としたが、本発明はこれに限られるものではなく、他の形状としても良い。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ロボットの接触機能において垂直応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供できるという効果を奏する。
【００４４】
また、本発明によれば、ロボットの接触機能においてせん断応力を感度よく検出することが可能な触覚センサを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態１による触覚センサの構成を示す図である。
【図２】本実施の形態１による構造解析結果を説明する図である。
【図３】本実施の形態１による構造解析結果を説明する図である。
【図４】本実施の形態１による構造解析結果を説明する図である。
【図５】本実施の形態１による垂直（Ｚ方向）応力を説明する図である。
【図６】本実施の形態１によるセンサ出力を説明する図である。
【図７】本実施の形態２による触覚センサの構成を示す図である。
【図８】本実施の形態２による構造解析結果を説明する図である。
【図９】本実施の形態２による構造解析結果を説明する図である。
【図１０】本実施の形態２による構造解析結果を説明する図である。
【図１１】本実施の形態２による構造解析結果を説明する図である。
【図１２】本実施の形態２による構造解析結果を説明する図である。
【図１３】本実施の形態２による応力計算結果を説明する図である。
【符号の説明】
１ 触覚センサ
２ 感圧素子
３ 第１層弾性体
４ 第２層弾性体
５ 第３層弾性体
１０ 触覚センサ
１１、１２ 感圧素子
１３ 第１層弾性体
１４ 第２層弾性体
１５ 第３層弾性体
Claims (7)
- 触覚センサであって、
圧力検出部位を有する感圧素子と、
第１の硬度を有し、表面に前記感圧素子の圧力検出部位が露出するように前記感圧素子を埋め込んで固持させる第１層目の弾性体と、第２の硬度を有し、前記感圧素子の圧力検出部位の外側で前記第１層目の弾性体上に積層させる第２層目の弾性体と、第３の硬度を有し、前記感圧素子の圧力検出部位上および前記第２層目の弾性体上に積層させる第３層目の弾性体とを組み合わせて、外部から受ける応力を前記感圧素子の圧力検出部位に誘導させる構造を有した本体と、
を備え、
前記第３の硬度は、前記第２の硬度に比して高い硬度であることを特徴とする触覚センサ。 - 前記感圧素子により検出される圧力に基づいて垂直応力を得ることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサ。
- 前記第３層目の弾性体は、前記感圧素子の圧力検出部位から上方かつ当該第３層目の弾性体の外表面に向かって末広がり形状に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の触覚センサ。
- 触覚センサであって、
圧力検出部位を有する複数の感圧素子と、
第１の硬度を有し、表面に前記複数の感圧素子の圧力検出部位が並列に配置され、かつ露出するように前記複数の感圧素子を埋め込んで固持させる第１層目の弾性体と、第２の硬度を有し、前記各感圧素子の圧力検出部位の外側で前記第１層目の弾性体上に積層させる第２層目の弾性体と、第３の硬度を有し、前記各感圧素子の圧力検出部位上および前記第２層目の弾性体上に積層させる第３層目の弾性体とを組み合わせて、外部から受ける応力を前記各感圧素子の圧力検出部位に誘導させる構造を有した本体と、
を備え、
前記第３の硬度は、前記第２の硬度に比して高い硬度であることを特徴とする触覚センサ。 - 前記各感圧素子の圧力検出部位により検出される圧力に基づいて垂直圧力を得て、当該得られた２つの垂直圧力に基づいてせん断応力を得ることを特徴とする請求項４に記載の触覚センサ。
- 前記第３層目の弾性体は、前記各感圧素子の圧力検出部位から上方かつ当該第３層目の弾性体の外表面に向かって末広がり形状に設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の触覚センサ。
- 前記第１の硬度は、前記第２の硬度に比して高いまたは同じ硬度であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の触覚センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003170573A JP4273397B2 (ja) | 2003-06-16 | 2003-06-16 | 触覚センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003170573A JP4273397B2 (ja) | 2003-06-16 | 2003-06-16 | 触覚センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005003649A JP2005003649A (ja) | 2005-01-06 |
| JP4273397B2 true JP4273397B2 (ja) | 2009-06-03 |
Family
ID=34095331
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003170573A Expired - Fee Related JP4273397B2 (ja) | 2003-06-16 | 2003-06-16 | 触覚センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4273397B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4876240B2 (ja) * | 2005-01-28 | 2012-02-15 | 国立大学法人 東京大学 | 触覚センサ及びその製造方法 |
| JP4724109B2 (ja) * | 2005-12-28 | 2011-07-13 | 本田技研工業株式会社 | ロボットの外被 |
| US8033189B2 (en) * | 2005-12-28 | 2011-10-11 | Honda Motor Co., Ltd. | Robot skin |
| JP4896198B2 (ja) | 2009-10-14 | 2012-03-14 | 国立大学法人東北大学 | 触覚センサシステム |
| KR101262978B1 (ko) | 2011-12-05 | 2013-05-08 | 현대자동차주식회사 | 보행로봇의 반발력 측정 모듈 및 방법 |
| CN102879135B (zh) * | 2012-09-27 | 2014-08-13 | 宁波大学 | 一种围压装置内壁摩擦力分布的测量方法 |
| JP2015045552A (ja) * | 2013-08-28 | 2015-03-12 | 住友理工株式会社 | 触覚センサ |
| CN107238452B (zh) * | 2017-04-18 | 2019-10-01 | 南京航空航天大学 | 多功能触觉传感器及测量方法 |
-
2003
- 2003-06-16 JP JP2003170573A patent/JP4273397B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2005003649A (ja) | 2005-01-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mukai et al. | Development of the tactile sensor system of a human-interactive robot “RI-MAN” | |
| KR101486217B1 (ko) | 커브 형 전도성 나노 또는 마이크로 필러를 이용한 촉각 센서 | |
| CN108760105B (zh) | 一种角度可调型仿生毛发传感结构 | |
| JP4273397B2 (ja) | 触覚センサ | |
| JP5504391B2 (ja) | 触覚センサアレイ | |
| JP2011153826A (ja) | 触覚センサ | |
| Choi et al. | A soft three-axis force sensor based on radially symmetric pneumatic chambers | |
| CN108444617B (zh) | 一种数字式仿生毛发传感结构 | |
| US8158533B2 (en) | Piezoelectric tactile sensor | |
| US7825567B2 (en) | Three-dimensional structure and its manufacturing method | |
| JP7396731B2 (ja) | 多軸触覚センサ | |
| Hwang et al. | A polymer-based flexible tactile sensor for normal and shear load detection | |
| US11959819B2 (en) | Multi-axis strain sensor | |
| JPS60161539A (ja) | 圧覚認識制御装置 | |
| JP2022111489A (ja) | ３軸力センサ | |
| Zhao et al. | A tri-axial touch sensor with direct silicon to PC-board packaging | |
| JP2004226380A (ja) | 触覚センサ及び分布型触覚センサ | |
| JPH07140025A (ja) | 触覚センサ | |
| CN109425460B (zh) | 用于高压的具有薄膜的微机电换能器、其制造方法和包括微机电换能器的系统 | |
| KR20190120473A (ko) | 정전용량 압력검출방식의 매트형 센싱 장치 및 그의 제작 방법 | |
| Liu et al. | Progress towards a smart skin: fabrication and preliminary testing | |
| TWI396835B (zh) | Piezoelectric tactile sensor and its manufacturing method | |
| JPH0663881B2 (ja) | 圧覚センサ | |
| Mukai et al. | Development of soft areal tactile sensors for human-interactive robots | |
| JPH0629808B2 (ja) | 圧覚センサ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060609 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20081225 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090203 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090218 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120313 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |