JP4632202B2

JP4632202B2 - 触覚センサ

Info

Publication number: JP4632202B2
Application number: JP2005198140A
Authority: JP
Inventors: 達也宮島; 基次逆井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2025-07-06
Also published as: JP2007017243A

Description

本発明は、人の触覚を代替し、触覚情報を定量的に計測できる触覚センサに関するものであり、更に詳しくは、対象物と接触することによって、球面あるいは非球面もしくは非平面からなる曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を異なる２点の歪みあるいは応力値から推定することを可能とする高精度な感触センシング能力を発揮する新しいタイプの触覚センサであって、物質・物体の変形抵抗性である硬さ柔らかさをリアルタイムに検出する方法を用いる検出機構に関するものである。本発明は、例えば、人協調型ロボットや義手・義指・義肢、診察用の触診器、各種工業の硬さ柔らかさ検査器、更には、医療分野における低侵襲手術やバイオ分野における細胞操作において、マニピュレータなどの対象物と接触する部分に配置される、物体との接触の瞬間に材質を知覚する機能を有し、しかも構造が簡単な新規触覚センサを提供するものである。

人の指先には、温度検出、把持能力や触覚能力など複数の機能が備わっている。特に、接触感覚は、優れた能力を有している。視覚では捉えることの出来ない物体表面の数ミクロンの段差を識別する能力は、人の指先の感覚が持っている高い分解能を理解する好例である。また、人は、物体が何で出来ているかを認識する際には、視覚による情報に加えて、手で直接触れることによって得られる情報、すなわち、重さ、硬さ柔らかさ、表面の滑らかさ（表面粗さ）などの感触が大切な役割を果たしている。

種々の製造業において、加工品や成型品、製造物などの良・不良を、人が本質的に持っている高精度な感触センシング能力により判定している。このような、製品検査作業を、ロボットなどの自動化された非破壊検査に置き換えて効率化を図るために、機械的感触センサが、食品工業や製造業など幅広い業種において必要とされている。

一方、ロボットや義手などの機械に触覚機能を与えるために、種々の機能センサが開発されてきた。これまでに、実用化された主なものは、つかんだことを圧力として感じる機能と、これを更に応用させたグリップ機能である。グリップ機能とは、物体を壊したり潰したり、あるいは、落下させることなく把持する機能である。これらの機能は、工作部品などの既知の物質から成る重量物の移動や運搬を人に代わって行うことを目的としている工業用ロボットにおいて、最も重要な機能である。

しかしながら、医療分野における低侵襲手術やバイオ分野における細胞操作に用いるマニピュレータなどの対象物と接触する部分や、介護・防犯用などの人協調型ロボットの指先には、物体を把持するためのグリップ機能だけでなく、人の指先と同様に触覚情報の計測をリアルタイムで行い、物体の材質など定性的分析が可能なセンシング機能を兼ね備えることが必要である。物体との接触によって材質が瞬時に特定できれば、グリップ機能を補完できるだけでなく、人に近い知能の獲得と形成の効果が生まれる。

物体の特徴を検知し、認識するために、接触手段を用いるセンサとしては、以下のものが開発されてきた。すなわち、より単純な方法としては、ロボットの指の側面に添付した歪みゲージの出力信号を利用するものがある。その原理としては、梁のたわみと力の関係に基づくものであり、そこから得られるのは、接触荷重のみの情報であって、知能の形成や獲得に十分有効な触覚センサではない。

対物接触振動子を組み込んだセンサと対象物とを接触させた際、対象物の材質に応じて振動子の発振周波数が変化することを利用して接触物質の硬さを検出する方法がある（特許文献１〜５）。これらは、接触物質の硬さを接触によって検出する方法であるが、しかしながら、その原理は、本発明の原理とは全く異なるものである。

接触と光学的検出法を組み合わせた方法として、押し込み方向に柔軟性を持たせた触覚センサの変形を内側に設置したカメラでとらえて接触物体の形状を認識するもの（特許文献６）、弾性変形するウィスカを用いて形状を検知するもの（特許文献７）がある。しかし、これらの方法は、接触物体の３次元的特徴を検知する触覚センサであり、対象物の硬さ、柔らかさに関する情報を検出するものではない。

更に、音響的検出法として、弾性体の内部に開けた空洞と超音波素子による音響共鳴触覚素子センサと対象物とを接触させた際の空洞の変形を共鳴周波数の変化として捉え、接触力を検知する方法がある（特許文献８、非特許文献１）。これによれば、グリップ機能に必要な滑りに関する対象物の摩擦係数を求めることができるが、対象物の硬さ柔らかさの情報を得るものではない。

医療用、介護用ロボットなどの人協調型ロボットあるいは産業用ロボットなどの指先には、人の指先の皮膚と同様に物体との接触を通して感触情報を収集する機能（センシング機能）を兼ね備えることが望まれる。また、医療分野における低侵襲手術やバイオ分野における細胞操作において、小型な簡易な構造が必要である。

特公昭４０−２７２３６号公報特開平１−１８９５８３号公報特開平５−３２２７３１号公報特開平６−５８８２９号公報特開平１０−３００５９４号公報特開２０００−２８８９７３号公報特開２００２−１１６１０１号公報特開２００１−２１４８２号公報篠田裕之、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．６、ｐｐ．７６７−７７１（２０００）

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、人の指先の皮膚と同様に物体との接触を通じて感触情報を収集する機能（センシング機能）を有する新しい触覚センサを開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、物体との接触の瞬間に材質を知覚することが可能な触覚センサを開発することに成功し、本発明を完成するに至った。本発明は、物体との接触の瞬間に材質を知覚する機能を有し、しかも構造が簡単な新しいタイプの触覚センサを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）センサ表面が接触対象物と接触することによって該センサ表面の曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布に基づくセンサの変形を検出する少なくとも２個の検出素子を有する触覚センサであって、
既知材質で構成されたセンサを用い、センサの変形を定量的に計測することによって接触対象物の材質を認知する機能を付与したことを特徴とする触覚センサ。
（２）接触対象物と接触することによって球面あるいは非球面もしくは非平面からなるセンサ表面の曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布に基づくセンサの変形を異なる２点の歪みあるいは応力値から検出する検出素子を有する前記（１）に記載の触覚センサ。
（３）電気的、光学的、磁気的又は音響的手段を用いて計測された異なる２点の歪みの差分の変化率から接触対象物の変形抵抗性を検出し、接触対象物の硬さ、柔らかさに関する特徴を決定する前記（１）に記載の触覚センサ。
（４）弾性体の曲面の球殻構造体の内部に歪みゲージを配置した前記（１）に記載の触覚センサ。
（５）弾性体の曲面に少なくとも２個の歪みゲージを配置した信号検出手段と、該信号を処理して歪み差分変化率を演算する信号処理手段を有する前記（１）に記載の触覚センサ。
（６）信号処理手段が、歪み変換増幅器、解析値記憶手段、解析値演算手段を有する前記（５）に記載の触覚センサ。
（７）接触の中心位置及び非中心位置の歪みを検出する歪みゲージ、歪み差分の変化率から接触対象物の硬さを算出する手段、実験的に得られた数値との対比により接触対象物の材質を認知する手段を有する前記（１）に記載の触覚センサ。
（８）解析値演算手段により算出されたデータを既存のデータと比較して知覚データ化処理することにより、少なくとも接触対象物の硬さ、柔らかさの変形抵抗性を知覚する機能を有する前記（６）に記載の触覚センサ。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の原理及び作用を説明するために２つの面同士の接触を考える。一方は未知物質の表面であり平面とする。もう片方は接触面が曲面を持つセンサ表面であり、その内部には表面の変形量を計測する機能が組み込まれている。センサである曲面と未知物質の表面とを接触させ、更に両者の間隔を狭めるに従って、接触の荷重及び接触面の直径は増大し、それと同時に互いの面は変形し、元の面と異なる曲率となる。本発明では、この曲面形状が変形する仕方と接触面寸法の大きさが、接触荷重と互いの材質（弾塑性的特性）によって決まることを原理として未知物質の材質を特定する。すなわち、本発明では、既知材質で構成されたセンサを用い、センサの変形を定量的に計測することによって接触材の材質を知覚することを原理としている。

本発明の触覚センサの理解を助けるために、硬さの異なる二種類の対象物を考える。図１は、該触覚センサの曲面を平面からなる対象物の表面に接触させた状態を示した模式図であり、図１（ａ）は、対象物が相対的に「柔らかい」場合を示しており、そして、相対的に「硬い」場合を、図１（ｂ）に示している。

ここで、両者の例で、同じ荷重Ｐが負荷されているとすると、図１（ａ）に示す柔らかい物質、すなわち、変形し易い物質は深く押し込まれるので相対的に広い接触面を形成しながら、半径ａ_１、接触面積Ａｃ_１（＝πａ_１ ^２）の接触円を形成する。他方の相対的に変形しにくい硬い物質では、図１（ｂ）に示すように、該触覚センサと対象物表面に押し込み深さは浅く、そのために、接触面は狭く、すなわち、接触面の半径ａ_２、及び、接触面積Ａｃ_２（＝πａ_２ ^２）は、柔らかい場合よりも小さい（ａ_２＜ａ_１、Ａｃ_２＜Ａｃ_１）。

接触変形が弾性範囲内で行われる接触については、古典的なヘルツ理論が確立されており、その変形挙動を上述のパラメータと弾性率（ヤング率）を用いて厳密に記述できることが広く一般的に知られている。接触面の半径は、押し込み深さｈと曲面の曲率半径Ｒを用いて、ａ＝（ｈＲ）^１／２の関係がある。また、曲面と対象物との接触軸方向の接触応力を考えると、接触の中心で最大をとり、図１（ａ）の例では、その最大値ｐ_０は（３／２）（Ｐ／πａ_１ ^２）である。

他方、相対的に変形しにくく硬い物質である図１（ｂ）の場合、接触応力の最大値ｐ_０は、（３／２）（Ｐ／πａ_２ ^２）であり、ａ_２＜ａ_１の関係から最大接触応力はより高い値をとる。すなわち、同一荷重Ｐで接触させた場合、対象物が硬く変形しにくい場合には、柔らかく変形しやすい場合よりも高い応力が接触円の中心に発生する。これまでの説明では、垂直応力についてのみ言及したが、垂直歪み、あるいは、接触中心を原点としたラジアル応力あるいはラジアル歪みを対象としても全く同様である。

この状態で、同一荷重によって負荷されたセンサ曲面の接触部に分布する垂直応力分布を考えると、柔らかい物質は、接触応力Ｓの最大値Ｓ_１は低く接触面積（Ａｃ＝πａ_１ ^２）が広いために、応力分布はなだらかとなる。一方、硬い物質では、接触応力Ｓの最大値Ｓ_２は高く、接触面積（Ａｃ＝πａ_２ ^２）が狭いため、鋭い勾配の分布となる。その接触円内の接触応力分布ｐは、前述のヘルツ理論によれば、ｒを接触円の半径方向の距離としてｐ_０（１−（ｒ／ａ）^２）^−１／２と書ける。これらの応力分布は、それぞれ図１（ａ）（ｂ）に模式的に示されている。これらは、ある定められた条件で接触した際に、接触物に発生する応力分布あるいは歪み分布が、対象物の硬さ（変形に対する抵抗特性）に応じて一義的に定まることを意味している。

本発明は、ある定められた条件で接触した際に、接触物に発生する応力分布あるいは歪み分布が、対象物の硬さ（変形に対する抵抗特性）に応じて一義的に定まることを原理として、その応力分布あるいは歪み分布を定量的に計測し、対象物の硬さを推定することを特徴とするものである。

また、先端が曲面ではない場合も、上述の曲面と同様である。一例として、該触覚センサを円錐形状とした場合を考えれば、触覚センサと対象物との接触面の大きさ、すなわち、接触半径ａは、対象物が硬い場合は小さく、柔らかい場合には大きくなる。垂直応力分布は、円錐の先端角をαとして下記の数１で示される式、

と書け、ある定められた条件で接触した際に、接触物に発生する応力分布あるいは歪み分布が、対象物の硬さ（変形に対する抵抗特性）に応じて一義的に定まることを意味している。

しかしながら、該触覚センサの先端形状が、曲面でなく平面、すなわち、円筒や角柱の形状である場合には、状況が異なる。この場合、対象物が相対的に柔らかいか硬いかという相違は、押し込み深さがそれぞれ深いあるいは浅いという差に現れてくるが、接触面積は、いずれの場合も同一である。したがって、対象物が「柔らかい」「硬い」という相違が有るにも関わらず、最大接触応力及び接触分布に違いが見られない。このように、接触面の形状が平面、すなわち、円筒や角柱の形状であるものは、触覚センサとしての機能を示さない。

図２は、該触覚センサに、複数個の応力検出素子あるいは歪み検出素子を適当な間隔でマトリックス状に配置した例を示した模式図である。このように、各検出素子から得られる複数の信号を用いることにより、推定される応力分布もしくは歪み分布の近似精度が高くなることが期待される。更に、センサと対象物とが垂直に押し込まれることが好ましいのであるが、図３のように、もし、それがずれていたとしても、複数個の応力あるいは歪み素子をセンサ中心に対して対称的になるようマトリックス状に配置した場合には、最大応力位置がセンサ中心となるように、センサの接触角を調整する機能を奏する。

次に、本発明が特徴とする、異なる２点の計測位置における応力あるいは歪みのみの信号を処理することにより、応力分布あるいは歪み分布を近似的に推定する方法について説明する。２点の計測位置は、対象物が変化した場合でも、常に同一に保たれなければならないという制限があり、ここでは、１点目を接触中心とし、更に２点目は、そこからある距離だけ離れた位置とすることとする。

わずか２点の信号原から得られるデータのみで触覚に関する知能をもつセンサを構成することが可能となれば、センサの構成部品や配線材料を少なくできるだけでなく、信号処理に掛ける労力及び時間の短縮に結びつく効果が生まれる。これらは、ロボットや義肢の指先あるいはマニピュレータにおいては、その先端の微小空間内で触覚センサを構成させる必要があること、そして、リアルタイムで信号処理結果を提示させる必要があることの課題と合致している。

図４は、本発明の作用を説明するために、前述の説明と同様に、硬さの異なる二種類の対象物に対して、触覚センサを接触させた場面の模式図である。ここでは、二種類の対象物において、接触中心に発生する垂直応力の最大値が同一となる負荷条件が描かれている。

負荷荷重は本願発明の本質に関わることではないが、先の図との違いを強調するために説明を加えておく。接触中心に発生する最大接触応力は、変形しにくい硬い物体（左側）では（３／２）（Ｐ_２／πａ_２ ^２）であり、他方の柔らかい物体（右側）では（３／２）（Ｐ_１／πａ_１ ^２）であるので、これらの応力値が等しい条件における負荷荷重にはＰ_１＝（ａ_１／ａ_２）^２Ｐ_２なる関係がある。前述したとおり同一荷重の条件ではａ_１＞ａ_２の関係があることから、（ａ_１／ａ_２）^２＞１であり、すなわち、変形しやすい柔らかい物体（右側）の荷重Ｐ_１は、硬い物体（左側）の荷重Ｐ_２よりも高くなければならない。

図４の右側には、柔らかい物体、左側には、硬い物体が描かれている。接触中心の位置（０）における応力もしくは歪みと、中心から同じ距離だけ離れた位置（１）での応力もしくは歪みの分布であり、応力分布あるいは歪み分布に対して、接触中心とある距離だけ離れた位置の２点で近似を行う。接触に対する変形の抵抗性を示す指標として、次のパラメータを定義する。

ここに、σ_０及びε_０は、接触中心における応力と歪みであり、σ_１及びε_１は、接触中心からある距離だけ離れた位置１における応力と歪みである。

既知の物質に対して、本発明の方法により算出された硬さ指数Ｈ_Ｑと、同じ物質に対して標準的な硬さ試験法によって測定された硬度、あるいは弾性率、剛性率などの変形抵抗性を表す力学物性値とによって、対応表もしくは方程式などの校正式を作成しておけば、内挿法もしくは外装法によって、未知物質の硬さ指数Ｈ_Ｑから広く普及している変形抵抗性を表す力学物性値への換算が可能となる。

本発明は、以上のように構成されているため、次に挙げる効果を奏する。
（１）触覚センサの構成は、対象物との接触曲面とその曲面の変形率を検出する２個の素子のみであることから、極めて単純であるため、製造が容易であり、安価であると同時に、小型化が可能である。
（２）同一のセンサで、セラミックスのような超硬質な物質から極めて柔らかい物質にわたる幅広い対象物について、その硬さ、柔らかさを数値化することが可能である。
（３）更に、時間依存型変形挙動を示す粘弾性体においても、その特性を定量化し、表示することが可能である。
（４）本発明の触覚センサは、人の指のひらの形状に類似した曲面を有する接触センサが対象物質に接触する際に、当該接触センサ自体が変形することを利用して、物質の硬さを感知できるため、人の場合と同様な感覚の特性を再現することが出来る。

次に、本発明の実施例及びその測定例を具体的に説明するが、以下の実施例は、本発明の好適な例を示すものであり、本発明は、該実施例によって何ら限定されるものではない。
本発明の触覚センサに関する実施の形態について説明すると、図５は、触覚センサシステムのうち、信号検出手段と信号処理手段を示した模式図である。信号検出手段は、対象物に接触することにより変形を受ける弾性体（触覚センサ）及び応力あるいは歪みを検出し、電気信号に変換する２個の素子（変換器）から構成される。曲面を有する弾性体として、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス製の半径３０．０ｍｍの球殻を用い、その外側球面を対象物との接触面とした。また、歪み検出器として、例えば、２枚の歪みゲージ（共和電業株式会社製、ＫＦＧ−０．２−１２０、ゲージ長＝０．２ｍｍ）を用いた。それらの歪みゲージは、接触センサ内部の底部にシアノアクリレート系接着剤にて固定されている。固定位置は、一枚目は歪みゲージ０として接触中心位置である球面の底であり、更に、歪みゲージ１は、その中心が接触中心の位置０から１．７５ｍｍだけ離れた位置に接着固定されている。

センサ本体１は、前述の原理によれば、曲面を持つ弾性体としてガラスなどの線形弾性体ではなく、柔軟性のある非線形弾性体を用いることも可能である。また、その形状として必ずしも球殻構造体である必要は無く、歪みなどの検出素子をその内部に固定した後に適当な物質を充填することによってバルクな球面体とすることも出来る。機械的変形量に対応して、自己発光する応力発光材料やコイル状炭素短繊維を樹脂マトリックスに分散した複合材料などの機能性材料を利用することも出来る。

更に、変形率を計測する検出器を対象物との接触面となる外側の曲面におくことも原理的には何らの問題はない。ただし、歪みゲージを球殻構造体の内部に配置することの利点は、歪みゲージと対象物とが直接接触しないため、歪みゲージが摩耗や損傷を受ける弊害が無くなり、性能の長期安定性や長寿命化に結びつく。

信号処理手段は、信号検出手段で検出される電圧などの信号を増幅し、記憶・演算する手段から構成される。例えば、歪み変換増幅器として、動歪み測定器（ＮＥＣ三栄株式会社製、ＡＣ式動歪み測定器ＡＳ１１０３）を用いることにより、弾性体が変形することにより生じる歪みゲージの抵抗変化を電圧変化として出力することが出来る。この電圧変化は、一般的なアナログ・デジタル変換器を通してコンピュータの記憶回路・演算回路に送られる。演算処理とは、例えば、歪みを計測した場合には、数２で示される（１’）式に従って、中心位置での歪み信号から離れた位置での歪み信号を差し引いた差分と中心位置の歪みの関係から、硬さ指数Ｈ_Ｑを算出する処理である。

演算処理により算出された硬さ指標Ｈ_Ｑは、良く知られた既知の物質により作成された対応表もしくは方程式などを用いて校正する。これにより、本発明において定義した硬さ指標Ｈ_Ｑを、広く一般に使用されている各種の硬度、あるいは、弾性率、剛性率などの変形抵抗性を表す力学的物性値と対応させることが可能となる。

図６は、信号検出手段から信号処理手段、そして、触覚情報化処理手段までの流れを示したものである。演算処理を含めて、コンピューターでの処理には、既存の人工知能を活用することが出来る。知識ベース型人工知能のプログラムにあらかじめ幾つかの物質についてのデータを取り込んでおくことで、未知物質の硬さ、柔らかさを認識することが可能となる。

図７は、本発明の実施例を示す硬さ測定フローチャート示す図である。図８は、測定対象物として、窒化ケイ素セラミックス（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ケイ素セラミックス（ＳｉＣ）、アルミナセラミックス（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニアセラミックス（ＺｒＯ_２）、一軸炭素繊維強化炭素複合材料（１Ｄ−Ｃ／Ｃ）、ソーダ石灰ガラス（Ｓ．Ｌ．Ｇｌａｓｓ）の無機系物質の６種類を測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。Ｈ_Ｑは各プロットの傾きであり、後に示すＨ_Ｑの値は原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。

図９は、測定対象物として、炭素鋼（ＳＫ５）、耐蝕鋼（ステンレスＳＵＳ３０４）、無酸素銅（Ｃｕ）、アルミニウム合金（Ａｌ）の金属系物質の４種類を測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。Ｈ_Ｑは各プロットの傾きであり、後に示すＨ_Ｑの値は原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。

図１０は、前述の無機系及び金属系物質の１０種類について、別の標準的方法（超音波パルスエコー法）により求めたヤング率を横軸に、本発明の方法により求めたＨ_Ｑを縦軸としてプロットした検量線である。

図１１は、前述の無機系及び金属系物質の１０種類について、別の標準的方法（ビッカース硬さ試験法）により求めた硬度を横軸に、本発明の方法により求めたＨ_Ｑを縦軸としてプロットした検量線である。

図１２は、測定対象物として、フッ素樹脂（硬質、ＰＴＦＥ）、フッ素樹脂（軟質、ＰＴＦＥ）、石鹸（硬質）、石鹸（軟質）、板目紙（厚み１ｍｍ）、紙の束（厚み５ｍｍ）、消しゴム（インク用）、プラスチック消しゴム（鉛筆用）の８種類を測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。Ｈ_Ｑの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。

図１３は、測定対象物として、竹（外側）、竹（内側）、杉、松、コルク（粗大組織）、コルク（微細組織）の木質系材料の６種類を測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。Ｈ_Ｑの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。

図１４は、食品の飴（キャンディ）を測定対象物とし、触覚センサと対象物を含む測定環境の温度を３５．０℃から４０．０℃まで１℃ごと変化させて測定した結果である。接触における押し込み速度は全ての測定温度で毎秒１．０ミクロンの一定とした。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。Ｈ_Ｑの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。

図１５は、前述のキャンディから得られたＨ_Ｑの値を測定環境温度に対してプロットしたものである。測定温度が３０．０℃から３５．０℃までは一定の硬さを示しているが、３５．０℃よりも高温になるに従い硬さが低下することがわかる。この境界温度はガラス転移点に相当すると考えられ、ガラス転移温度が３５℃と求められた。

図１６は、前述のキャンディを測定対象物とし、触覚センサと対象物を含む測定環境温度を４０℃の一定とし、接触速度を毎秒１．０ミクロンから毎秒２．５ミクロンまで変化させて測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。Ｈ_Ｑの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。

図１７は、前述のキャンディから得られたＨ_Ｑの値を押し込み速度に対してプロットしたものである。図１８は、食品のキャラメルを測定対象物とし、触覚センサと対象物を含む測定環境の温度を５．０℃から１０．０℃まで１℃ごと変化させて測定した結果である。接触における押し込み速度は全ての測定温度で毎秒１ミクロンの一定とした。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。Ｈ_Ｑの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。

図１９は、前述のキャラメルから得られたＨ_Ｑの値を測定環境温度に対してプロットしたものである。測定温度が２．０℃と３．０℃とは一定の硬さを示しているが、３．０℃よりも高温になるに従い硬さが低下することがわかる。この境界温度はガラス転移点に相当すると考えられ、ガラス転移温度が３℃と求められた。

図２０は、前述のキャラメルを測定対象物とし、触覚センサと対象物を含む測定環境温度を５℃の一定とし、接触速度を毎秒１．０ミクロンから毎秒３．０ミクロンまで変化させて測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。Ｈ_Ｑの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。

図２１は、前述のキャラメルから得られたＨ_Ｑの値を押し込み速度に対してプロットしたものである。図２２は、２９品目の合計５３条件において得られたＨ_Ｑの値を柔らかいもの（キャラメル）から硬いもの（超硬質セラミックス）の順に示した棒グラフである。

以上詳述したように、本発明は、触覚センサに係るものであり、本発明により、人の触覚を代替し、触覚情報を定量的に計測できる触覚センサを提供することが出来る。本発明の触覚センサの構成は、対象物との接触曲面とその曲面の変形率を検出する２個の素子のみであることから、その構成が極めて単純で、製造が容易であり、安価であると同時に、小型化が可能である。同一のセンサで、セラミックスのような超硬質な物質から極めて柔らかい物質にわたる幅広い対象物について、その硬さ、柔らかさを数値化することが可能であり、粘弾性体においても、その特性を定量化し、表示することが可能である。本発明は、接触センサ自体が変形することを利用して物質の硬さを感知できるため、人の場合と同様な感覚特性を再現することが可能な新しいタイプの高精度触覚センサを提供することを実現するものである。

変形のしやすさの異なる２種類の対象物と曲面との接触状態を示す模式図である。接触により発生する応力分布又は歪み分布を曲面上に配置した応力・歪み検出素子により近似する説明図である。接触が対象物の表面に対して垂直でない場合の応力分布又は歪み分布の模式図である。曲面（球面）と変形のしやすさの異なる２種類の対象物との接触により発生する応力分布又は歪み分布を、曲面上に配置した２点の応力又は歪み検出素子により近似する説明図である。本発明の実施例を示す硬さ評価システムの模式図である。本発明の実施例を示す信号処理回路のブロック線図である。本発明の実施例を示す硬さ測定フローチャートである。図５の装置による無機系材料（セラミックス）の歪み差分変化率曲線である。図５の装置による金属系材料の歪み差分変化率曲線である。図８と図９から算出された硬さと標準的試験法で評価されたヤング率との関係を示す図である。図８と図９から算出された硬さと標準的試験法で評価されたビッカース硬さとの関係を示す図である。図５の装置による人工物の歪み差分変化率曲線である。図５の装置による木質系材料の歪み差分変化率曲線である。図５の装置による飴（キャンディ）の３５℃〜４０℃における歪み差分変化率曲線である。図１４から算出された硬さの温度依存性を示す図である。図５の装置による飴（キャンディ）の負荷速度を毎秒１．０〜２．５ミクロンとした場合の歪み差分変化率曲線である。図１６から算出された硬さの負荷速度依存性を示す図である。図５の装置による菓子（キャラメル）の２℃〜１０℃における歪み差分変化率曲線である。図１８から算出された硬さの温度依存性を示す図である。図５の装置による菓子（キャラメル）の負荷速度を毎秒１．０〜３．０ミクロンとした場合の歪み差分変化率曲線である。図２０から算出された硬さの負荷速度依存性を示す図である。図５の装置による硬さの棒グラフである。

Claims

センサ表面が接触対象物と接触することによって該センサ表面の曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布に基づくセンサの変形を検出する少なくとも２個の検出素子を有する触覚センサであって、
既知材質で構成されたセンサを用い、センサの変形を定量的に計測することによって接触対象物の材質を認知する機能を付与したことを特徴とする触覚センサ。
接触対象物と接触することによって球面あるいは非球面もしくは非平面からなるセンサ表面の曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布に基づくセンサの変形を異なる２点の歪みあるいは応力値から検出する検出素子を有する請求項１に記載の触覚センサ。
電気的、光学的、磁気的又は音響的手段を用いて計測された異なる２点の歪みの差分の変化率から接触対象物の変形抵抗性を検出し、接触対象物の硬さ、柔らかさに関する特徴を決定する請求項１に記載の触覚センサ。
弾性体の曲面の球殻構造体の内部に歪みゲージを配置した請求項１に記載の触覚センサ。
弾性体の曲面に少なくとも２個の歪みゲージを配置した信号検出手段と、該信号を処理して歪み差分変化率を演算する信号処理手段を有する請求項１に記載の触覚センサ。
信号処理手段が、歪み変換増幅器、解析値記憶手段、解析値演算手段を有する請求項５に記載の触覚センサ。
接触の中心位置及び非中心位置の歪みを検出する歪みゲージ、歪み差分の変化率から接触対象物の硬さを算出する手段、実験的に得られた数値との対比により接触対象物の材質を認知する手段を有する請求項１に記載の触覚センサ。
解析値演算手段により算出されたデータを既存のデータと比較して知覚データ化処理することにより、少なくとも接触対象物の硬さ、柔らかさの変形抵抗性を知覚する機能を有する請求項６に記載の触覚センサ。