JP4963263B2 - Tactile sensor element - Google Patents

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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センサに関するものであり、更に詳しくは、球面あるいは非球面もしくは非平面からなる曲面と対象物との接触角度を異なる3点の歪みあるいは応力値を用いて調整すると同時に、接触によって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を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。   The present invention relates to a sensor capable of quantitatively measuring tactile information instead of a human tactile sense. More specifically, the present invention relates to three different contact angles between a spherical surface, an aspherical surface, or a non-planar curved surface and an object. This is a new type of tactile sensor that provides high-precision tactile sensing capability that can be used to estimate the strain distribution or stress distribution generated on the curved surface by contact while adjusting using the strain or stress value of -It is related with the detection mechanism using the method of detecting the hardness softness which is a deformation resistance of an object in real time. The present invention includes, for example, human cooperative robots, prosthetic hands / prosthetic fingers / limbs, palpators for examination, hardness / softness testers for various industries, and further, minimally invasive surgery in the medical field and cell manipulation in the bio field. The present invention provides a novel tactile sensor that has a function of perceiving a material at the moment of contact with an object, which is disposed in a portion that contacts an object such as a manipulator, and has a simple structure.

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。   A human fingertip has a plurality of functions such as temperature detection, grasping ability and tactile ability. In particular, the touch sensation has an excellent ability. The ability to discern steps of several microns on the surface of an object that cannot be detected visually is a good example of understanding the high resolution of human fingertips. In addition, when a person recognizes what an object is made of, in addition to visual information, information obtained by directly touching with a hand, that is, weight, hardness softness, surface smoothness ( Feeling such as surface roughness plays an important role.

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、ロボット等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。   In various manufacturing industries, the quality of processed products, molded products, manufactured products, etc. is judged by the high-precision touch sensing ability that humans essentially have. In order to replace such product inspection work with automated non-destructive inspection such as robots for efficiency, mechanical touch sensors are required in a wide range of industries such as the food industry and the manufacturing industry.

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さら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。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、もっとも重要な機能である。   On the other hand, various functional sensors have been developed to provide tactile functions to machines such as robots and artificial hands. The main thing that has been put to practical use so far is the function to feel what is being grasped as a pressure and the grip function to which this is further applied. The grip function is a function of gripping an object without breaking or crushing it or dropping it. This is the most important function in industrial robots that are intended to move and carry heavy objects made of known materials such as machine parts on behalf of humans.

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。   However, the grip function for gripping objects on the parts that come into contact with objects such as manipulators used for minimally invasive surgery in the medical field and cell operations in the bio field, and the fingertips of humanoid robots for nursing and crime prevention. In addition, it is necessary to have a sensing function capable of measuring tactile information in real time in the same manner as a human fingertip and capable of qualitative analysis of the material of an object. If the material can be identified instantly by contact with an object, not only can the grip function be complemented, but it will also have the effect of acquiring and forming intelligence close to that of a person.

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。   In order to detect and recognize the characteristics of an object, the following sensors have been developed as sensors using contact means. That is, as a simpler method, there is a method using an output signal of a strain gauge attached to a side surface of a robot finger. The principle is based on the relationship between the deflection of the beam and the force, and the information obtained only from the contact load is not a tactile sensor that is sufficiently effective for the formation and acquisition of intelligence.

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。   There is a method of detecting the hardness of the contact substance by utilizing the fact that the oscillation frequency of the vibrator changes according to the material of the object when the sensor incorporating the objective contact vibrator is brought into contact with the object ( Patent Documents 1 to 5). These are methods for detecting the hardness of a contact substance by contact. However, the principle is completely different from the principle of the present invention.

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。   As a method of combining contact and optical detection method, the deformation of the tactile sensor with flexibility in the push-in direction is recognized by the camera installed inside and the shape of the contact object is recognized (Patent Document 6), elastic deformation There is one that detects a shape using a whisker (Patent Document 7). However, these methods are tactile sensors that detect a three-dimensional feature of a contact object, and do not detect information on the hardness and softness of an object.

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。   Furthermore, as an acoustic detection method, the deformation of the cavity when the acoustic resonance tactile sensor sensor and the object by the ultrasonic element are contacted with the object is detected as a change in the resonance frequency, and the contact force is determined. There is a detection method (Patent Document 8, Non-Patent Document 1). According to this, although the friction coefficient of the target object regarding slip required for a grip function can be calculated | required, the information of the hardness softness of a target object is not obtained.

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。   Desirably, fingertips such as medical and nursing robots and humanoid robots also have a function (sensing function) that collects tactile information through contact with an object in the same manner as the skin of a human fingertip. It is. In addition, a small and simple structure is required for minimally invasive surgery in the medical field and cell manipulation in the bio field.

生活支援型ロボットは、種々様々な材質からなる物体に取り囲まれて活動しなければならない。このような活動環境下では、接触の瞬間に粉体の材質を認識し、物質を特定する分析機能を持つことにより、把持動作の効率が向上すると考えられる。更に触覚センサが素材認識の能力を持つことは、ロボットの知能の獲得につながるものであり、分析機能を持つセンサの重要性は今後増大していくと思われる。   A life support robot must be surrounded by objects made of various materials. Under such an activity environment, it is considered that the efficiency of the gripping operation is improved by having an analysis function for recognizing the material of the powder at the moment of contact and specifying the substance. Furthermore, the ability of the tactile sensor to recognize the material leads to the acquisition of the intelligence of the robot, and the importance of the sensor having the analysis function is expected to increase in the future.

人間が物体を特徴付ける際に利用する特性パラメータは、比重・密度の他に弾性率や硬率などの機械的特性、温冷感などの熱伝導特性、表面性状など多岐にわたるが、本発明者らは、このうちの機械的特性に焦点をあてた指先用の触覚センサの開発を進めている(非特許文献2)。   The characteristic parameters used by humans to characterize objects vary widely, such as mechanical properties such as elastic modulus and hardness, thermal conductivity such as thermal sensation, and surface properties in addition to specific gravity and density. Has been developing a tactile sensor for fingertips focusing on the mechanical characteristics (Non-Patent Document 2).

圧子力学は、接触プローブ(圧子)を固体表面に押し込むことにより、各種工業用材料の非時間依存型の弾性、弾塑性、更には時間依存型の粘弾性特性の同時定量評価を可能とする新しい力学であり、科学と工学の両面から学問体系化が進められている(非特許文献3、4)。この圧子力学で用いられる球形圧子は、「指の腹」と類似した形状及び機能を持つことから、圧子力学の技術や解析法を触覚センサに応用することにより、新しい機能を持つセンサを開発できると期待されている。   Indenter mechanics is a new technology that enables simultaneous quantitative evaluation of non-time-dependent elastic, elasto-plastic, and time-dependent viscoelastic properties of various industrial materials by pushing a contact probe (indenter) into the solid surface. It is dynamics, and academic systematization is being promoted from both science and engineering (Non-Patent Documents 3 and 4). The spherical indenter used in this indenter mechanics has a shape and function similar to those of the “finger abdomen”, so by applying indenter mechanics techniques and analysis methods to tactile sensors, sensors with new functions can be developed. It is expected.

以上の技術背景を踏まえて、本出願人は、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)を有し、物体との接触の瞬間に材質を知覚することが可能な新しい触覚センサを創造した(特許文献9)。   Based on the above technical background, the applicant has a function (sensing function) that collects tactile information through contact with an object in the same manner as the skin of a human fingertip, and perceives the material at the moment of contact with the object. A new tactile sensor that can be used has been created (Patent Document 9).

対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を少なくとも2個の検出素子で近似する触覚センサは、人の指先と同様に触覚情報の計測をリアルタイムで行うセンシング機能を有しており、物体の材質など定性的分析を接触の瞬間に可能にする。上記触覚センサは、人の指の腹の形状を模した曲面形状に作製されているため、ヒューマノイドのような人協調型ロボットの指先の腹としてそのまま用いることが可能であり、ロボットが行う一般的な把持動作において、常に指の腹に組み込んだ触覚センサは物体と接触することになる。しかしながら、改良すべき事項が残されている。すなわち、実際には、指の腹に相当する曲面の中央が接触中心となるとは限らない。触覚センサの検出信号を正しく解析できるようにするためには、触覚センサの検出素子を最適な位置に配置する必要があるが、従来の触覚センサでは、そこまでの配慮がなされていない。   A tactile sensor that approximates the strain distribution or stress distribution generated on a curved surface by contact with an object with at least two detection elements has a sensing function that measures tactile information in real time in the same manner as a human fingertip. This enables qualitative analysis of the material of the object at the moment of contact. Since the above-mentioned tactile sensor is made in a curved surface shape imitating the shape of a human finger belly, it can be used as it is as a fingertip belly of a humanoid robot such as a humanoid. In a simple gripping operation, the tactile sensor incorporated in the finger pad always comes into contact with the object. However, there are still matters to be improved. That is, in practice, the center of the curved surface corresponding to the belly of the finger is not always the contact center. In order to be able to correctly analyze the detection signal of the tactile sensor, it is necessary to arrange the detection element of the tactile sensor at an optimal position. However, the conventional tactile sensor does not give such consideration.

特告昭40−27236号公報No. 40-27236 特開平1−189583号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1-189083 特開平5−322731号公報JP-A-5-322731 特開平6−58829号公報JP-A-6-58829 特開平10−300594号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-300594 特開2000−288973号公報JP 2000-288773 A 特開2002−116101号公報JP 2002-116101 A 特開2001−21482号公報JP 2001-21482 A 特開2007−17243号公報JP 2007-17243 A 篠田裕之、日本ロボット学会誌 Vol.18、No.6、pp.767−771(2000)Hiroyuki Shinoda, Journal of the Robotics Society of Japan Vol. 18, no. 6, pp. 767-771 (2000) 宮島達也、逆井基次、圧子力学の触覚センサへの応用、ロボティクス・メカトロニクス講演会 ’06講演論文集、2P2−B04、2006Tatsuya Miyajima, Koji Sakai, Application of Indenter Mechanics to Tactile Sensors, Lectures on Robotics and Mechatronics '06 Proceedings, 2P2-B04, 2006 J.Mater.Res., vol.14、pp.3630−3639、1999J. et al. Mater. Res. , vol. 14, pp. 3630-3639, 1999 J.Non−Cryst.Solids, Vol.282、pp.236−247、2001J. et al. Non-Cryst. Solids, Vol.282, pp. 236-247, 2001

このような状況の中で、本発明者は、上記従来技術に鑑みて、前記触覚センサにおいて、該触覚センサの検出信号を正しく解析できるようにした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積み重ねた結果、触覚センサの検出素子と接触点との相対位置関係を調整しながら材質を知覚する機能を有する触覚センサ素子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検出素子と接触点との相対位置関係を調整しながら、材質を知覚する機能を有し、しかも構造が簡便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。   Under such circumstances, the present inventor has conducted intensive research with the goal of developing a new tactile sensor capable of correctly analyzing the detection signal of the tactile sensor in view of the above-described conventional technology. As a result, the inventors succeeded in developing a tactile sensor element having a function of perceiving a material while adjusting the relative positional relationship between the detection element of the tactile sensor and the contact point, and completed the present invention. The present invention provides a new type of tactile sensor having a function of perceiving a material while adjusting the relative positional relationship between a detection element and a contact point at the moment of contact with an object, and having a simple structure. It is the purpose.

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)内外表面が球面である球殻の構造を持ち、その球殻の外面が対象物と接触した際にその内面に取り付けた歪みゲージによって異なる3ヶ所の変形を計測する触覚センサであって、対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出する少なくとも3個の検出素子を有し、かつこれらの検出素子の測定信号である球面変形信号を利用して曲面の中央が接触中心となるように調整する軸心調整機能を有することを特徴とする触覚センサ。
(2)対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出し、接触中心と検出素子との相対位置を調整する軸心調整機能を有する前記(1)に記載の触覚センサ。
(3)検出素子1の出力信号εと、検出素子2と検出素子3の出力信号εとεとが、ε/ε=1の条件を満たし、ε/εが極小値となるように接触中心と検出素子との相対位置を調整する前記(2)に記載の触覚センサ。
(4)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検出する検出素子を有する前記(1)に記載の触覚センサ
(5)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被接触物質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。
(6)既知物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認知する機能を付与した前記(1)に記載の触覚センサ。
(7)弾性体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。
(8)弾性体曲面に少なくとも3個の歪みゲージを配置した信号処理手段と、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。
(9)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(8)に記載の触覚センサ。
(10)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材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。
(11)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、未知物質の硬さ、柔らかさ等の変形抵抗性を知覚する機能を有する前記(9)に記載の触覚センサ。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A tactile sensor that has a spherical shell structure in which the inner and outer surfaces are spherical surfaces, and measures deformation at three different points depending on strain gauges attached to the inner surface when the outer surface of the spherical shell comes into contact with an object. , Having at least three detection elements for detecting strain distribution or stress distribution generated on the curved surface by contact with the object, and using the spherical deformation signal that is a measurement signal of these detection elements, A tactile sensor characterized by having an axial center adjustment function for adjusting so that the center of contact is the contact center.
(2) The tactile sensor according to (1), wherein the tactile sensor according to (1) has an axial center adjustment function that detects a strain distribution or a stress distribution generated on a curved surface by contact with an object and adjusts a relative position between a contact center and a detection element. .
(3) The output signal ε 1 of the detection element 1 and the output signals ε 2 and ε 3 of the detection element 2 and the detection element 3 satisfy the condition of ε 3 / ε 2 = 1, and ε 2 / ε 1 is minimal The tactile sensor according to (2), wherein the relative position between the contact center and the detection element is adjusted so as to be a value.
(4) The method according to (1), further including a detection element that detects a strain distribution generated on a spherical surface, an aspherical surface, or a non-planar curved surface by contact with an object, or a stress distribution from two different strains or stress values. The tactile sensor (5) detects the deformation resistance of the contacted substance from the rate of change of the difference between two different strains measured using electrical, optical, magnetic or acoustic means, and The tactile sensor according to (1), wherein characteristics relating to hardness and softness are determined.
(6) The tactile sensor according to (1), wherein a sensor made of a known substance is used and a function of recognizing the material of the contact material is provided by quantitatively measuring the deformation of the sensor.
(7) The tactile sensor according to (1), wherein a strain gauge is arranged inside a spherical shell structure having a curved elastic body.
(8) The tactile sensor according to (1), including signal processing means in which at least three strain gauges are arranged on the elastic body curved surface, and signal processing means for processing the signal and calculating a strain difference change rate.
(9) The tactile sensor according to (8), wherein the signal processing unit includes a distortion conversion amplifier, an analysis value storage unit, and an analysis value calculation unit.
(10) A strain gauge that detects strain at the center and non-center positions, a means for calculating the hardness of the object from the rate of change of the strain difference, and the material of the contact material is recognized by comparison with experimentally obtained numerical values The tactile sensor according to (1), including means for performing
(11) The above-described function (9) has a function of perceiving deformation resistance such as hardness and softness of an unknown substance by comparing the data calculated by the analysis value calculation means with existing data and converting it into perceptual data. ) Tactile sensor.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、内外表面が球面である球殻の構造を持ち、その球殻の外面が対象物と接触した際にその内面に取り付けた歪みゲージによって異なる3ヶ所の変形を計測する触覚センサであって、対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出する少なくとも3個の検出素子を有し、かつこれらの検出素子の測定信号である球面変形信号を利用して曲面の中央が接触中心となるように調整する軸心調整機能を有することを特徴とするものである。本発明では、対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出し、接触中心と検出素子との相対位置を調整する軸心調整機能を有すること、検出素子1の出力信号εと、検出素子2と検出素子3の出力信号εとεとが、ε/ε=1の条件を満たし、ε/εが極小値となるように接触中心と検出素子との相対位置を調整すること、を好ましい実施の態様としている。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention is a tactile sensor that has a spherical shell structure whose inner and outer surfaces are spherical surfaces, and measures deformation at three different points depending on strain gauges attached to the inner surface when the outer surface of the spherical shell comes into contact with an object. And having at least three detection elements for detecting the strain distribution or stress distribution generated on the curved surface by contact with the object, and using the spherical deformation signal which is a measurement signal of these detection elements. It has an axial center adjusting function for adjusting the center so as to be the center of contact. In the present invention, a strain distribution or a stress distribution generated on a curved surface by contact with an object is detected, and an axial center adjustment function for adjusting a relative position between the contact center and the detection element is provided, and an output signal of the detection element 1 Detection of the contact center so that ε 1 and the output signals ε 2 and ε 3 of the detection element 2 and the detection element 3 satisfy the condition of ε 3 / ε 2 = 1, and ε 2 / ε 1 is a minimum value. Adjusting the relative position to the element is a preferred embodiment.

次に、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したがって、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。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、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。   Next, in order to explain the principle and operation of the present invention, consider contact between two surfaces. One is a surface of an unknown substance and is a plane. The other is a sensor surface having a curved contact surface, and a function for measuring the amount of deformation of the surface is incorporated in the sensor surface. As the surface of the sensor and the surface of the unknown substance are brought into contact with each other and the distance between the two is further reduced, the contact load and the diameter of the contact surface increase, and at the same time, each other surface is deformed, and the curvature is different from the original surface. It becomes. The material of the unknown substance is specified based on the principle that the manner in which the curved surface shape is deformed and the size of the contact surface are determined by the contact load and the mutual material (elasto-plastic characteristics). That is, the material of the contact material is perceived by using a sensor made of a known material and quantitatively measuring the deformation of the sensor.

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、そして、相対的に「硬い」場合を、図1(b)に示している。   To assist in understanding the tactile sensor of the present invention, two types of objects having different hardnesses are considered. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a state in which the curved surface of the tactile sensor is in contact with the surface of a target object that is a plane. FIG. 1A illustrates a case where the target object is relatively “soft”, and The relatively “hard” case is shown in FIG.

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、接触面積Ac(=πa )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、該触覚センサの対象物表面に対する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、及び、接触面積Ac(=πa )は、柔らかい場合よりも小さい(a<a、Ac<Ac)。 Here, assuming that the same load P is applied in both examples, the soft substance shown in FIG. 1A, that is, the easily deformable substance is deeply pushed in, so that a relatively wide contact surface is formed. , A contact circle having a radius a 1 and a contact area Ac 1 (= πa 1 2 ). On the other hand, a relatively hard material that is not easily deformed, as shown in FIG. 1B, the push-in depth of the tactile sensor with respect to the object surface is shallow, and therefore the contact surface is narrow, that is, the radius of the contact surface. a 2 and the contact area Ac 2 (= πa 2 2 ) are smaller than in the soft case (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は(3/2)(P/πa )である。 For contacts where contact deformation is performed within the elastic range, classical Hertz theory has been established, and it is widely and generally possible to accurately describe the deformation behavior using the above parameters and elastic modulus (Young's modulus). Are known. The radius of the contact surface has a relationship of a = (hR) 1/2 using the indentation depth h and the curvature radius R of the curved surface. Further, considering the contact stress in the contact axis direction between the curved surface and the object, the maximum is taken at the center of contact, and in the example of FIG. 1A, the maximum value p 0 is (3/2) (P / πa 1 2 ).

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は(3/2)(P/πa )であり、a<a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。 On the other hand, in the case of FIG. 1B, which is a hard material that is relatively difficult to deform, the maximum value p 0 of the contact stress is (3/2) (P / πa 2 2 ), and the relationship of a 2 <a 1 Therefore, the maximum contact stress takes a higher value. That is, when contacting with the same load P, when the object is hard and difficult to deform, a higher stress is generated at the center of the contact circle than when the object is soft and easily deformed. In the description so far, only the vertical stress has been described, but the same applies to a vertical strain or a radial stress or a radial strain with the contact center as the origin.

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は低く接触面積(Ac=πa )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は高く接触面積(Ac=πa )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(1−(r/a)−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。 In this state, when considering the normal stress distribution distributed in the contact portion of the sensor curved surface loaded with the same load, the soft substance has a low maximum value S 1 of the contact stress S and a wide contact area (Ac = πa 1 2 ). For this reason, the stress distribution becomes gentle. On the other hand, since the maximum value S 2 of the contact stress S is high and the contact area (Ac = πa 2 2 ) is narrow, a hard substance has a sharp gradient distribution. The contact stress distribution p in the contact circle can be written as p 0 (1- (r / a) 2 ) −1/2 , where r is the radial distance of the contact circle, according to the Hertz theory described above. These stress distributions are schematically shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), respectively. These mean that the stress distribution or strain distribution generated in the contact object is uniquely determined according to the hardness (resistance characteristic against deformation) of the object when contact is made under a predetermined condition.

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ものである。   The present invention is based on the principle that when contact is made under a predetermined condition, the stress distribution or strain distribution generated in the contact object is uniquely determined according to the hardness of the object (resistance characteristic against deformation). The stress distribution or strain distribution is quantitatively measured to estimate the hardness of the object.

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、   Further, when the tip is not a curved surface, it is the same as the above-described curved surface. As an example, if the tactile sensor has a conical shape, the size of the contact surface between the tactile sensor and the object, that is, the contact radius a is small when the object is hard and large when the object is soft. . The normal stress distribution is expressed by the following formula 1 where α is the tip angle of the cone,

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。 This means that the stress distribution or strain distribution generated in the contact object is uniquely determined according to the hardness of the object (resistance characteristics against deformation). Yes.

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。   However, the situation is different when the tip shape of the tactile sensor is not a curved surface but a plane, that is, a cylinder or a prism. In this case, the difference whether the object is relatively soft or hard appears in the difference that the indentation depth is deep or shallow, but the contact area is the same in any case. Therefore, no difference is seen in the maximum contact stress and the contact distribution in spite of the difference that the object is “soft” and “hard”. Thus, the shape of the contact surface is flat, that is, the shape of a cylinder or a prism does not show a function as a tactile sensor.

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。   FIG. 2 is a schematic diagram showing an example in which a plurality of stress detection elements or strain detection elements are arranged in a matrix at appropriate intervals on the tactile sensor. Thus, it is expected that the approximate accuracy of the estimated stress distribution or strain distribution is increased by using a plurality of signals obtained from each detection element. Further, it is preferable that the sensor and the object are pushed vertically. However, as shown in FIG. 3, even if the sensor and the object are displaced, a plurality of stress or strain elements are made symmetrical with respect to the sensor center. When arranged in a matrix, the sensor has a function of adjusting the contact angle of the sensor so that the maximum stress position is at the center of the sensor.

まず、本願発明が特徴としている、少なくとも3個の検出素子を用いる軸心調整によって、接触方向の同軸直線に接触点と中心検出素子とが位置するよう調整を図る方法について説明する。図4は、接触点が中央に配置した検出素子1の真上に位置しないミスアライメントの状態が触覚センサの3つの検出素子と接触中心部(Xc、Yc)との関係が調整されていない状態を示す模式図である。短時間で接触中心部(Xc、Yc)を中央に配置した検出素子1の真上に位置するよう調整することが命題である。   First, a method for adjusting the contact point and the center detection element so as to be positioned on the coaxial straight line in the contact direction by the axial center adjustment using at least three detection elements, which is a feature of the present invention, will be described. FIG. 4 shows a state in which the misalignment state in which the contact point is not located directly above the detection element 1 arranged in the center is the relationship between the three detection elements of the tactile sensor and the contact center (Xc, Yc) is not adjusted. It is a schematic diagram which shows. It is a proposition to adjust the contact center portion (Xc, Yc) to be positioned immediately above the detection element 1 arranged in the center in a short time.

接触点が中央に配置した検出素子1の真上に位置した場合、すなわち、最適状況に到達している場合では、εは最大値をとる。したがって、ε/εが極小値となることは、接触点が中央に配置した検出素子1の真上に位置していることの必要充分条件となる。 When the contact point is located immediately above the detection element 1 arranged at the center, that is, when the optimum state is reached, ε 1 takes the maximum value. Therefore, the minimum value of ε 2 / ε 1 is a necessary and sufficient condition that the contact point is located directly above the detection element 1 arranged at the center.

したがって、原理的には、「ε/εが極小値となる」ように軸心調整の作業を進めていけば、接触点は、中央に配置した検出素子1の真上に最終的に位置することは可能である。しかしながら、この方針では、最適化のために掛かる時間は極めて長いと予想される。 Therefore, in principle, if the work of adjusting the axial center is performed so that “ε 2 / ε 1 becomes a minimum value”, the contact point is finally directly above the detection element 1 arranged in the center. It is possible to be located. However, with this policy, the time required for optimization is expected to be extremely long.

そこで、図4に示すように、第3の検出素子を用いる方法を確立した。しかし、本発明は、3個の検出素子を用いる方法に限定されるものではなく、少なくとも3個の検出素子、すなわち、3個以上の検出素子を有するものであれば同様に本発明の触覚センサを構築することが可能であるが、ここでは、説明を分かり易くするために、本発明の代表的な一例として、3個の検出素子を用いる場合について説明する。触覚センサの中央に配置した検出素子1の出力信号をεと呼び、同様に、検出素子2と検出素子3の出力信号をεとεと呼ぶことにする。検出素子2と検出素子3は検出素子1から等距離の位置に置くことにする。検出素子2と検出素子3からの信号が等しく、ε=εであること、換言すると、ε/ε=1なる条件が満たされることは、接触点が中央に配置した検出素子1の真上に位置していることの十分条件となる。 Therefore, as shown in FIG. 4, a method using a third detection element was established. However, the present invention is not limited to the method using three detection elements. If the sensor has at least three detection elements, that is, three or more detection elements, the tactile sensor of the present invention is similarly used. However, in order to make the explanation easy to understand, a case where three detection elements are used will be described as a typical example of the present invention. The output signal of the detection element 1 arranged at the center of the tactile sensor is called ε 1, and similarly, the output signals of the detection element 2 and the detection element 3 are called ε 2 and ε 3 . The detection element 2 and the detection element 3 are placed at the same distance from the detection element 1. That the signals from the detection element 2 and the detection element 3 are equal and ε 2 = ε 3 , in other words, that the condition that ε 3 / ε 2 = 1 is satisfied, indicates that the detection element 1 with the contact point arranged at the center It is a sufficient condition that it is located directly above.

最適位置にすばやく配置するアルゴリズムは、以下のようになる。検出素子2と検出素子3からの信号が等しく、ε/ε=1なる条件を満たし、更に、この条件下でε/εが極小値となること、を満たすよう軸心調整作業が進められる。図4において、検出素子2と検出素子3からの出力信号が等しい条件、すなわち、ε/ε=1である条件は、原点を通る45度の直線(一点破線,Y=X)として描かれている。検出素子1と接触中心を一致させるには、まず、第一段階として、接触中心部(Xc、Yc)をこの直線上に載せることにより、ε/ε=1なる条件を満たし、更に、直線に沿いながら第二段階の探査を進めていく。第二段階では、検出素子1と検出素子2からの出力信号の比ε/εを条件判断の基準として用いる。ここで、接触中心の座標(Xc、Yc)が((1/2)X1、(1/2)Y1)である時は、接触中心から検出素子1までの距離と接触中心から検出素子2までの距離は等しく、それぞれの出力信号の比ε/εは1となる。また、接触中心座標(Xc、Yc)が点((1/2)X1、(1/2)Y1)よりも遠方にある場合にはε/ε>1となり、逆に、接触中心がこの点よりも検出素子1側(原点側)にあればε/ε<1となる。接触中心が検出素子1と一致し真上に位置すると、εは最大値をとるので、ε/εは極小値となる。したがって、ε/εが極小値をとるか否かの条件判断で真と判定されることで軸心調整の最適条件に到達する。以上のアルゴリズムに従えば、最適化に費やされる労力あるいは時間を大幅に節約することができる。 The algorithm for quickly placing the optimal position is as follows. Axis center adjustment work so that the signals from the detection element 2 and the detection element 3 are equal, satisfy the condition of ε 3 / ε 2 = 1, and further satisfy ε 2 / ε 1 being a minimum value under this condition Is advanced. In FIG. 4, the condition where the output signals from the detection element 2 and the detection element 3 are equal, that is, the condition that ε 3 / ε 2 = 1 is drawn as a 45-degree straight line (dotted line, Y = X) passing through the origin. It is. In order to make the detection element 1 and the contact center coincide with each other, as a first step, the contact center portion (Xc, Yc) is placed on this straight line to satisfy the condition of ε 3 / ε 2 = 1, Proceed with the second stage of exploration along a straight line. In the second stage, the ratio ε 2 / ε 1 of the output signals from the detection element 1 and the detection element 2 is used as a criterion for condition determination. Here, when the coordinates (Xc, Yc) of the contact center are ((1/2) X1, (1/2) Y1), the distance from the contact center to the detection element 1 and the contact center to the detection element 2 Are equal, and the ratio ε 2 / ε 1 of the respective output signals is 1. Further, when the contact center coordinates (Xc, Yc) are farther than the point ((1/2) X1, (1/2) Y1), ε 2 / ε 1 > 1, and conversely, the contact center is If it is on the detection element 1 side (origin side) from this point, ε 2 / ε 1 <1. When the center of contact coincides with the detection element 1 and is positioned directly above, ε 1 takes a maximum value, and ε 2 / ε 1 becomes a minimum value. Therefore, the optimum condition for adjusting the shaft center is reached when it is determined to be true by determining whether or not ε 2 / ε 1 takes a minimum value. If the above algorithm is followed, the labor or time spent for optimization can be saved significantly.

次に、本発明のもう一つの特徴である、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。   Next, another method of the present invention will be described in which a stress distribution or strain distribution is approximately estimated by processing signals of only stress or strain at two different measurement positions.

わずか2点の信号源から得られるデータのみで触覚に関する知能を持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。   If a sensor with tactile intelligence can be configured with only data obtained from only two signal sources, not only the sensor components and wiring materials can be reduced, but also the labor and time required for signal processing can be reduced. The effect that leads to is born. These are consistent with the problem that a tactile sensor needs to be configured in the micro space at the tip of a robot or prosthetic fingertip or manipulator, and that signal processing results must be presented in real time. Yes.

図5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。   FIG. 5 is a schematic diagram of a scene in which a tactile sensor is brought into contact with two types of objects having different hardness, in the same manner as described above, in order to explain the operation of the present invention. Here, in two types of objects, a load condition is illustrated in which the maximum value of the vertical stress generated at the contact center is the same.

負荷荷重は、本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/πa )であり、他方の柔らかい物体(右側)では(3/2)(P/πa )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=(a/aなる関係がある。前述したとおり、同一荷重の条件ではa>aの関係があることから、(a/a>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は、硬い物体(左側)の荷重Pよりも高くなければならない。 Although the load is not related to the essence of the present invention, a description will be added in order to emphasize the difference from the previous figure. The maximum contact stress generated at the contact center is (3/2) (P 2 / πa 2 2 ) for a hard object that is difficult to deform (left side), and (3/2) (P for the other soft object (right side). 1 / πa 1 2 ), there is a relationship P 1 = (a 1 / a 2 ) 2 P 2 in the load under the condition where these stress values are equal. As described above, since there is a relationship of a 1 > a 2 under the same load condition, (a 1 / a 2 ) 2 > 1, that is, the load P 1 of the soft object (right side) that is easily deformed is It must be higher than the load P 2 of the hard object (left side).

図6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。   A soft object is drawn on the right side of FIG. 6 and a hard object is drawn on the left side. The stress or strain at the position (0) of the contact center and the stress or strain distribution at the position (1) that is the same distance away from the center. The stress or strain distribution is separated from the contact center by a certain distance. Approximation is performed at two positions. The following parameters are defined as indices indicating the resistance of deformation to contact.

ここでσ及びεは、接触中心における応力と歪みであり、σ及びεは接触中心からある距離だけ離れた位置における応力と歪みである。 Here, σ 1 and ε 1 are stress and strain at the contact center, and σ 2 and ε 2 are stress and strain at a position away from the contact center by a certain distance.

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。 And hardness index H Q calculated by the method of the present invention to known materials, hardness was measured by standard hardness testing method for the same material or elastic modulus, the deformation resistance, such as rigidity mechanical properties representing the deformation resistance is widely used from the hardness index H Q unknowns by the mechanical physical properties if creating a calibration equation, such as the correspondence table or equation, by interpolation or exterior method representing the Conversion to a value is possible.

本発明により、以下のような効果が奏される。
(1)触覚センサの接触位置と検出素子との関係を常に最適化するため、すなわち、接触のための駆動方向の同軸直線上に接触点と中心検出素子とが位置するよう位置調整するため、演算される数値の精度と信頼性を高めることが可能である。
(2)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少なくとも3個の素子のみであり、検出素子による触覚用信号を軸心調整のための信号としても用いるため、別の異なる軸心調整専用の機構を新たに設置する必要がないことから、その構成が極めて単純であり、そのため、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。
(3)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。
(4)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。
(5)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触覚センサが対象物質に接触する際に、当該触覚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できる。
The following effects are exhibited by the present invention.
(1) To always optimize the relationship between the contact position of the tactile sensor and the detection element, that is, to adjust the position so that the contact point and the center detection element are positioned on the same axis in the driving direction for contact. It is possible to improve the accuracy and reliability of the numerical values calculated.
(2) The configuration of the tactile sensor is only at least three elements that detect the contact curved surface with the object and the deformation rate of the curved surface, and the tactile signal from the detection element is also used as a signal for adjusting the axis. Therefore, there is no need to newly install another mechanism for adjusting the center of the axis, so that the configuration is very simple. Therefore, it is easy to manufacture, is inexpensive, and can be downsized. .
(3) With the same sensor, it is possible to quantify the hardness and softness of a wide range of objects ranging from ultra-hard materials such as ceramics to extremely soft materials.
(4) Furthermore, the characteristics of a viscoelastic body exhibiting time-dependent deformation behavior can be quantified and displayed.
(5) The tactile sensor of the present invention uses the deformation of the tactile sensor itself when the tactile sensor having a curved surface similar to the shape of the palm of a person contacts the target substance. Therefore, it is possible to reproduce the sensory characteristics similar to those of humans.

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、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。   Next, examples of the present invention and measurement examples thereof will be specifically described. However, the following examples show preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples. It is not something.

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6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3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、もしくは石英ガラス製の半径35.0mmの球殻を用い、その外側球面を対象物との接触面とした。   An embodiment relating to the tactile sensor of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic diagram showing a signal detecting means and a signal processing means in the tactile sensor system. The signal detection means is composed of an elastic body (tactile sensor) that is deformed by contact with an object and three elements (converters) that detect stress or distortion and convert them into electrical signals. As an elastic body having a curved surface, for example, a spherical shell made of Pyrex (registered trademark) glass with a radius of 30.0 mm or a spherical shell made of quartz glass with a radius of 35.0 mm is used, and its outer spherical surface is a contact surface with an object. It was.

また、歪み検出器として、例えば、歪みゲージ(共和電業株式会社製、KFG−02−120、又は、KFRS−02−120)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1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2と歪みゲージ3はその中心が接触中心の位置から1.75mm又は1.0mmだけ離れた位置に接着固定されている。   As a strain detector, for example, a strain gauge (KFG-02-120 or KFRS-02-120 manufactured by Kyowa Dengyo Co., Ltd.) was used. These strain gauges are fixed to the bottom of the contact sensor with a cyanoacrylate adhesive. The fixed position is the bottom of the spherical surface that is the contact center position as the strain gauge 1, and the strain gauge 2 and the strain gauge 3 are separated from the position of the contact center by 1.75 mm or 1.0 mm. Adhered and fixed at the position.

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、その形状としては、必ずしも球殻構造体である必要は無く、歪み等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できる。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できる。   According to the above-described principle, the sensor body 1 may be a flexible non-linear elastic body instead of a linear elastic body such as glass as an elastic body having a curved surface. Further, the shape is not necessarily a spherical shell structure, and a bulk spherical body can be formed by filling a suitable substance after fixing a detection element such as a strain in the inside thereof. A functional material such as a stress-stimulated luminescent material that self-emits according to the amount of mechanical deformation or a composite material in which coiled carbon short fibers are dispersed in a resin matrix can be used.

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。   Furthermore, in principle, there is no problem in placing a detector for measuring the deformation rate on the outer curved surface that is a contact surface with the object. However, the advantage of placing the strain gage inside the spherical shell structure is that the strain gage and the object do not come into direct contact with each other. It leads to life extension.

信号処理手段は、信号検出手段で検出される電圧等の信号を増幅し、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できる。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(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を算出する処理である。 The signal processing means is configured by means for amplifying a signal such as a voltage detected by the signal detection means, and storing and calculating the signal. For example, by using a dynamic strain measuring instrument (manufactured by NEC Sanei Co., Ltd., AC dynamic strain measuring instrument AS1103) as a strain conversion amplifier, a resistance change of a strain gauge caused by deformation of an elastic body is output as a voltage change. Can do. This voltage change is sent to a storage circuit / arithmetic circuit of a computer through a general analog / digital converter. For example, when the distortion is measured, the arithmetic processing is based on the relationship between the difference obtained by subtracting the distortion signal at the position away from the distortion signal at the center position and the distortion at the center position according to the equation (1 ′). a process of calculating the index H Q.

演算処理により算出された硬さ指標H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。 Hardness index H Q calculated by the calculation processing will be calibrated using a correspondence table or equation created by well-known known materials were. Thus, the hardness index H Q as defined in the present invention, universally various used hardness, or modulus of elasticity, mechanical properties values representing the deformation resistance, such as rigidity and can correspond with Become.

図7は、信号検出手段から信号処理手段、駆動角度最適化手段、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できる。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。   FIG. 7 shows the flow from the signal detection means to the signal processing means, the drive angle optimization means, and the tactile information conversion processing means. Existing artificial intelligence can be used for computer processing, including arithmetic processing. It is possible to recognize the hardness and softness of unknown substances by incorporating data on some substances in advance into a knowledge-based artificial intelligence program.

図8は、本発明の実施例を示す触覚フローチャートを示す図である。3点のひずみ検出によりひずみ除算を算出し、軸心調整を二段の判断を経て完了した後に、触覚演算に移行し、ひずみ差分を算出し、ひずみ差分の変化率から硬さHを算出し、得られた硬さHと硬さHとの対応表からHを算出する。図9は、軸心調整の第一段階における判断の様子を図に示したものである。この第一段階は、検出素子2と検出素子3からの出力信号が等しい条件、すなわち、ε/ε=1なる条件を満たすようにする判断回路が中心となる。ここでは、X軸回りの回転角(α(=θx))とY軸回りの回転角(β(=θy))を接触位置の制御パラメータとし、角度変化によって接触中心座標を変化させた際の、検出素子2と検出素子3からの出力信号比ε/εを算出し、その値に基づく判断を行う。なお、検出素子からの出力信号を正確に得るため、接触操作は次の通りに実施することができるが、この手順は操作の好適な一例を示すものであり、これに限定されるものではない。まず、接触位置の調整のためにX軸回りの回転角とY軸回りの回転角をそれぞれ設定する際には接触の対象物と概触覚センサとの間隔を充分に離し、接触していない状態における検出素子(ひずみゲージ)の出力信号レベルをゼロに設定する。次に、対象物と触覚センサとを接触させるために駆動機構を動作させ、それと同時に3つの検出素子からの出力信号を記録(記憶)していく。更に、接触の瞬間から信号演算を開始し、判断回路にて、出力信号比ε/ε=1なる条件を満たすか否かについて接触位置の判定を行う。ここで、対象物と触覚センサとの接触量(深さ)については、接触の対象物の力学物性に依存する弾性限界の範囲内であれば良く、必要以上に接触を深くする必要はない。更に、接触のための駆動を荷重制御もしくは変位制御で行うかについても、概触覚センサの原理に影響するものではない。本実施例では、一定速度(毎秒2ミクロン、ランプ波)で負荷を最大荷重である2Nまで与えた後に、除荷し、対象物と触覚センサとを完全に乖離させた。以上の条件設定と判断の操作を繰り返し行うことで、ε/ε=1なる条件を満たす範囲に到達することができる。図9中の丸印で示された測定点は、X軸回りの回転角 (α(=θx))とY軸回りの回転角(β(=θy))を接触位置の制御パラメータとし、接触中心座標を変化させた結果を示しており、白抜きの記号(○)で示された点は、ε/εが1とならなかった条件を意味している。一方、同図中の黒丸(●)で示された点は、検出素子2と検出素子3からの出力信号が等しく、ε/ε=1なる条件を満たす角度であった。これらの黒丸(●)同士を結ぶ直線上にあり、それらを補完する位置にある黒四角(■)で示された点は、ε/ε=1なる条件を満たすという予想に基づき、X軸回りの回転角(α(=θx))とY軸回りの回転角(β(=θy))を設定した点であるが、事実、検出素子2と検出素子3からの出力信号は等しく、ε/ε=1なる条件を満たす角度であった。 FIG. 8 is a diagram showing a tactile flow chart showing an embodiment of the present invention. Strain division is calculated by detecting strain at three points, and after the shaft center adjustment is completed through two stages of judgment, it shifts to tactile calculation, calculates the strain difference, and calculates the hardness H Q from the change rate of the strain difference. Then, H is calculated from the correspondence table of the obtained hardness HQ and hardness H. FIG. 9 shows a state of determination in the first stage of the axis adjustment. The first stage is centered on a determination circuit that satisfies the condition that the output signals from the detection element 2 and the detection element 3 are equal, that is, the condition that ε 3 / ε 2 = 1. Here, the rotation angle around the X axis (α (= θx)) and the rotation angle around the Y axis (β (= θy)) are used as control parameters for the contact position, and the contact center coordinates are changed by changing the angle. The output signal ratio ε 3 / ε 2 from the detection element 2 and the detection element 3 is calculated, and a determination based on the value is performed. In order to accurately obtain an output signal from the detection element, the contact operation can be performed as follows, but this procedure shows a preferred example of the operation and is not limited thereto. . First, when setting the rotation angle around the X-axis and the rotation angle around the Y-axis for adjusting the contact position, the distance between the contact object and the general tactile sensor is sufficiently separated and not in contact. The output signal level of the detection element (strain gauge) at is set to zero. Next, the drive mechanism is operated to bring the object into contact with the tactile sensor, and simultaneously, output signals from the three detection elements are recorded (stored). Further, signal calculation is started from the moment of contact, and the determination circuit determines the contact position as to whether or not the condition of the output signal ratio ε 3 / ε 2 = 1 is satisfied. Here, the contact amount (depth) between the object and the tactile sensor may be within the range of the elastic limit depending on the mechanical properties of the object to be contacted, and it is not necessary to deepen the contact more than necessary. Furthermore, whether the driving for contact is performed by load control or displacement control does not affect the principle of the general tactile sensor. In this example, the load was applied to a maximum load of 2N at a constant speed (2 microns per second, ramp wave), then unloaded, and the object and the tactile sensor were completely separated. By repeatedly performing the above condition setting and determination operations, it is possible to reach a range that satisfies the condition of ε 3 / ε 2 = 1. The measurement points indicated by the circles in FIG. 9 are the contact position control parameters that are the rotation angle around the X axis (α (= θx)) and the rotation angle around the Y axis (β (= θy)). The result of changing the center coordinates is shown, and the points indicated by white symbols (◯) mean the conditions where ε 3 / ε 2 did not become 1. On the other hand, the points indicated by black circles (●) in the figure are angles that satisfy the condition that ε 3 / ε 2 = 1 because the output signals from the detection element 2 and the detection element 3 are equal. A point indicated by a black square (■) on a straight line connecting these black circles (●) and complementing them is based on the expectation that the condition of ε 3 / ε 2 = 1 is satisfied. Although the rotation angle around the axis (α (= θx)) and the rotation angle around the Y axis (β (= θy)) are set, in fact, the output signals from the detection element 2 and the detection element 3 are equal, The angle satisfies the condition of ε 3 / ε 2 = 1.

図10は、軸心調整を行わない段階での負荷−歪み曲線である。検出素子2と検出素子3は検出素子1から等距離に位置に置かれているため、検出素子2と検出素子3からの出力信号は等しく、ε=εでなければならないが、図からは、接触点が検出素子1の直上にないことが見て取れる。図11は、軸心調整の第一段階の判断において真と判定された条件の負荷−歪み曲線である。検出素子2と検出素子3からの出力信号は等しく、ε/ε=1なる条件を満たしていることが分かる。 FIG. 10 is a load-distortion curve at a stage where the axis adjustment is not performed. Since the detection element 2 and the detection element 3 are located at the same distance from the detection element 1, the output signals from the detection element 2 and the detection element 3 must be equal and ε 2 = ε 3 , It can be seen that the contact point is not directly above the detection element 1. FIG. 11 is a load-distortion curve under the condition determined to be true in the determination at the first stage of the axial center adjustment. It can be seen that the output signals from the detection element 2 and the detection element 3 are equal and satisfy the condition of ε 3 / ε 2 = 1.

図12は、第二段階における判断の様子を図に示したものである。この第二段階は、第一段階の判断で真と判定された条件について、接触中心が検出素子1の真上にあることを、検出素子1と検出素子2からの出力信号の比ε/εが極小値となる条件によって探し出す判断回路である。接触によって各検出素子からひずみ出力信号を取り出し記録する操作手順は第一段階で行ったものと同じであり、第一段階の演算と同時平行に進めていくことができる。その手順は以下の様になる。接触していない状態の検出素子(ひずみゲージ)の出力信号レベルをゼロに設定する。次に、対象物と触覚センサとを接触させるために駆動機構を動作させ、それと同時に3つの検出素子からの出力信号を記録(記憶)し、接触の瞬間から検出素子1と検出素子2からの出力信号の比ε/εの演算を開始する。更に、第一段階の判断回路にて真と判定されたものについてのみ、検出素子1と検出素子2からの出力信号の比ε/εが極小値となる条件を満たすか否かの判定を行う。図12は、図9において黒丸(●)及び黒四角(■)で示された、第一段階の判断回路にて真と判定された条件について、検出素子1と検出素子2からの出力信号の比ε/εをY軸回りの回転角(β(=θy))に対してプロットしたものである。図12からY軸回りの回転角(β(=θy))が0.5度の点にε/εの極小値が現れていることが見て取れる。これによって、接触点が中央に配置した検出素子1の真上に位置した最適条件の探索が完了した。 FIG. 12 shows the state of determination in the second stage. This second stage indicates that the contact center is directly above the detection element 1 under the condition determined to be true in the determination of the first stage, and that the ratio of output signals from the detection element 1 and the detection element 2 ε 2 / epsilon 1 is a determining circuit to find the condition for the minimum value. The operation procedure for taking out and recording the strain output signal from each detection element by contact is the same as that performed in the first stage, and can proceed in parallel with the calculation in the first stage. The procedure is as follows. Set the output signal level of the sensing element (strain gauge) in a non-contact state to zero. Next, the drive mechanism is operated to bring the object into contact with the tactile sensor, and simultaneously, output signals from the three detection elements are recorded (stored), and from the moment of contact, the detection elements 1 and 2 are detected. The calculation of the output signal ratio ε 2 / ε 1 is started. Further, only for those determined to be true by the determination circuit in the first stage, it is determined whether or not the condition that the ratio ε 2 / ε 1 of the output signals from the detection element 1 and the detection element 2 is the minimum value is satisfied. I do. FIG. 12 shows the output signals from the detection element 1 and the detection element 2 for the conditions determined by the first stage determination circuit, which are indicated by black circles (●) and black squares (■) in FIG. The ratio ε 2 / ε 1 is plotted against the rotation angle around the Y axis (β (= θy)). It can be seen from FIG. 12 that a minimum value of ε 2 / ε 1 appears at a point where the rotation angle (β (= θy)) about the Y axis is 0.5 degrees. As a result, the search for the optimum condition in which the contact point is located immediately above the detection element 1 arranged at the center is completed.

図13は、測定対象物として、窒化ケイ素セラミックス(Si)、炭化ケイ素セラミックス(SiC)、アルミナセラミックス(Al)、ジルコニアセラミックス(ZrO)、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は各プロットの傾きであり、後に示すH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。 FIG. 13 shows silicon nitride ceramics (Si 3 N 4 ), silicon carbide ceramics (SiC), alumina ceramics (Al 2 O 3 ), zirconia ceramics (ZrO 2 ), uniaxial carbon fiber reinforced carbon composite materials (measurement objects) 1D-C / C) and six types of inorganic substances of soda lime glass (SL Glass). The horizontal axis in the figure shows the distortion at the contact center position where the contact sensor and the object are in contact, and the vertical axis shows the value obtained by subtracting the distortion at a position 1.75 mm away from the contact center position from the distortion at the contact center position. Plotted. H Q is the slope of each plot, the value of H Q shown after the slope at the origin, that is, determined as the slope of the moment of contact.

図14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は各プロットの傾きであり、後に示すH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。 FIG. 14 shows the results of measurement of four types of metal substances such as carbon steel (SK5), corrosion-resistant steel (stainless steel SUS304), oxygen-free copper (Cu), and aluminum alloy (Al) as measurement objects. The horizontal axis in the figure shows the distortion at the contact center position where the contact sensor and the object are in contact, and the vertical axis shows the value obtained by subtracting the distortion at a position 1.75 mm away from the contact center position from the distortion at the contact center position. Plotted. H Q is the slope of each plot, the value of H Q shown after the slope at the origin, that is, determined as the slope of the moment of contact.

図15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を縦軸としてプロットした検量線である。 Figure 15 is a longitudinal About 10 types of the aforementioned inorganic and metal-based materials, the horizontal axis a Young's modulus obtained by the alternative standard methods (ultrasonic pulse echo method), the H Q obtained by the method of the present invention A calibration curve plotted as an axis.

図16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を縦軸としてプロットした検量線である。 FIG. 16 shows the hardness obtained by another standard method (Vickers hardness test method) for 10 types of the above-mentioned inorganic and metallic substances on the horizontal axis, and H Q obtained by the method of the present invention on the vertical axis. Is a calibration curve plotted as.

図17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。 FIG. 17 shows the measurement object as fluororesin (hard, PTFE), fluororesin (soft, PTFE), soap (hard), soap (soft), grained paper (thickness 1 mm), paper bundle (thickness 5 mm). , Eraser (for ink), plastic eraser (for pencil) 8 types of measurement results. The horizontal axis in the figure shows the distortion at the contact center position where the contact sensor and the object are in contact, and the vertical axis shows the value obtained by subtracting the distortion at a position 1.75 mm away from the contact center position from the distortion at the contact center position. Plotted. The value of H Q is slope at the origin of the curve, that is, determined as the slope of the moment of contact.

図18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。 FIG. 18 shows the results of measurement of six types of woody materials: bamboo (outside), bamboo (inside), cedar, pine, cork (coarse tissue), and cork (fine tissue) as measurement objects. The horizontal axis in the figure shows the distortion at the contact center position where the contact sensor and the object are in contact, and the vertical axis shows the value obtained by subtracting the distortion at a position 1.75 mm away from the contact center position from the distortion at the contact center position. Plotted. The value of H Q is slope at the origin of the curve, that is, determined as the slope of the moment of contact.

図19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。 FIG. 19 shows the measurement results obtained by changing the temperature of the measurement environment including the tactile sensor and the object from 35.0 ° C. to 40.0 ° C. by 1 ° C., using food candy as a measurement object. The indentation speed in contact was constant at 1.0 microns per second at all measured temperatures. The horizontal axis in the figure shows the distortion at the contact center position where the contact sensor and the object are in contact, and the vertical axis shows the value obtained by subtracting the distortion at a position 1.75 mm away from the contact center position from the distortion at the contact center position. Plotted. The value of H Q is slope at the origin of the curve, that is, determined as the slope of the moment of contact.

図20は、前述のキャンディから得られたH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分かる。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。 Figure 20 is a plot for the measured environmental temperature value of H Q obtained from the foregoing candy. Although the measurement temperature shows a certain hardness from 30.0 ° C. to 35.0 ° C., it can be seen that the hardness decreases as the temperature becomes higher than 35.0 ° C. This boundary temperature was considered to correspond to the glass transition point, and the glass transition temperature was determined to be 35 ° C.

図21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。 In FIG. 21, the above-mentioned candy was used as the measurement object, the measurement environment temperature including the tactile sensor and the object was constant at 40 ° C., and the contact speed was changed from 1.0 μm / second to 2.5 μm / second. It is a result. The horizontal axis in the figure shows the distortion at the contact center position where the contact sensor and the object are in contact, and the vertical axis shows the value obtained by subtracting the distortion at a position 1.75 mm away from the contact center position from the distortion at the contact center position. Plotted. The value of H Q is slope at the origin of the curve, that is, determined as the slope of the moment of contact.

図22は、前述のキャンディから得られたH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23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2.0℃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。 Figure 22 is a plot against speed pushing the value of H Q obtained from the foregoing candy. FIG. 23 shows the measurement results obtained by changing the temperature of the measurement environment including the tactile sensor and the target object from 2.0 ° C. to 10.0 ° C. every 1 ° C. with the food caramel as the measurement target. The indentation speed in contact was constant at 1 micron per second at all measured temperatures. The horizontal axis in the figure shows the distortion at the contact center position where the contact sensor and the object are in contact, and the vertical axis shows the value obtained by subtracting the distortion at a position 1.75 mm away from the contact center position from the distortion at the contact center position. Plotted. The value of H Q is slope at the origin of the curve, that is, determined as the slope of the moment of contact.

図24は、前述のキャラメルから得られたH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分かる。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。 Figure 24 is a plot for the measured environmental temperature value of H Q obtained from the foregoing caramel. The measurement temperatures of 2.0 ° C. and 3.0 ° C. indicate a certain hardness, but it is understood that the hardness decreases as the temperature becomes higher than 3.0 ° C. This boundary temperature was considered to correspond to the glass transition point, and the glass transition temperature was determined to be 3 ° C.

図25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。 In FIG. 25, the above-mentioned caramel was used as the measurement object, the measurement environment temperature including the tactile sensor and the object was kept constant at 5 ° C., and the contact speed was changed from 1.0 μm / sec to 3.0 μm / sec. It is a result. The horizontal axis in the figure shows the distortion at the contact center position where the contact sensor and the object are in contact, and the vertical axis shows the value obtained by subtracting the distortion at a position 1.75 mm away from the contact center position from the distortion at the contact center position. Plotted. The value of H Q is slope at the origin of the curve, that is, determined as the slope of the moment of contact.

図26は、前述のキャラメルから得られたH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27は、29品目の合計53条件において得られたH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。 Figure 26 is a plot against speed pushing the value of H Q obtained from the foregoing caramel. Figure 27 is a bar graph showing the order of those soft values obtained H Q in total 53 conditions 29 items with hard from (caramel) (super-hard ceramics).

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できる。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少なくとも3個の素子を有し、かつこれらの検出素子の測定信号である球面変形信号を利用して曲面の中央が接触中心となるように調整する軸心調整機能を有することを特徴とするものであることから、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、触覚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として有用である。   As described above in detail, the present invention relates to a tactile sensor, and according to the present invention, it is possible to provide a tactile sensor that can substitute a human tactile sense and quantitatively measure tactile information. The configuration of the tactile sensor of the present invention has at least three elements for detecting a curved surface of contact with an object and a deformation rate of the curved surface, and uses a spherical deformation signal that is a measurement signal of these detection elements. Since it has an axial center adjustment function that adjusts the center of the curved surface to be the contact center, its configuration is extremely simple, easy to manufacture, inexpensive, and downsized Is possible. With the same sensor, it is possible to quantify the hardness and softness of a wide range of objects ranging from ultra-hard materials such as ceramics to extremely soft materials. The properties of viscoelastic materials can also be quantified. Can be displayed. The present invention provides a new type of high-precision tactile sensor capable of reproducing the sensory characteristics similar to those of a human because the hardness of a substance can be sensed by utilizing the deformation of the tactile sensor itself. It is useful for realizing this.

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。It is a schematic diagram which shows the contact state of two types of objects and the curved surface from which the ease of a deformation | transformation differs. 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。It is explanatory drawing which approximates the stress distribution or distortion distribution which generate | occur | produces by contact with the stress and the distortion detection element arrange | positioned on the curved surface. 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。It is a schematic diagram of stress distribution or strain distribution when the contact is not perpendicular to the surface of the object. 触覚センサの3つの検出素子と接触部(Xc、Yc)との関係が一致していない状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state where the relationship between the three detection elements of a touch sensor and a contact part (Xc, Yc) is not in agreement. 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。It is explanatory drawing which approximates the stress distribution or distortion distribution which generate | occur | produces by contact with a curved surface (spherical surface) and two types of objects from which the ease of a deformation | transformation differs by the stress or distortion detection element of 2 points | pieces arrange | positioned on the curved surface. . 本発明の実施例を示す触覚センサシステムの模式図である。It is a schematic diagram of a tactile sensor system showing an embodiment of the present invention. 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。It is a block diagram of the signal processing circuit which shows the Example of this invention. 本発明の実施例を示す軸心調整と触覚測定フローチャートである。It is an axial center adjustment and tactile measurement flowchart which shows the Example of this invention. 図6の装置による軸心調整の第一段階を示す図である。It is a figure which shows the 1st step of the axial center adjustment by the apparatus of FIG. 軸心調整を行う前の負荷−歪み曲線である。It is a load-distortion curve before performing an axial center adjustment. 第一段階の軸心調整で真と判定された負荷−歪み曲線である。It is the load-distortion curve determined to be true by the first stage axis adjustment. 図6の装置による軸心調整の第二段階を示す図である。It is a figure which shows the 2nd step of the axial center adjustment by the apparatus of FIG. 図6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。It is a strain difference change rate curve of the inorganic type material (ceramics) by the apparatus of FIG. 図6の装置による金属系材料の歪み差分変化率曲線である。7 is a strain difference change rate curve of a metal-based material by the apparatus of FIG. 図13と図14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。It is a figure which shows the relationship between the hardness computed from FIG. 13 and FIG. 14, and the Young's modulus evaluated by the standard test method. 図13と図14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。It is a figure which shows the relationship between the hardness computed from FIG. 13 and FIG. 14, and the Vickers hardness evaluated by the standard test method. 図6の装置による人工物の歪み差分変化率曲線である。It is a distortion difference change rate curve of the artifact by the apparatus of FIG. 図6の装置による木質系材料の歪み差分変化率曲線である。It is a strain difference change rate curve of the wood-type material by the apparatus of FIG. 図6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。It is a strain difference change rate curve in 35 degreeC-40 degreeC of the candy (candy) by the apparatus of FIG. 図19から算出された硬さの温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the hardness computed from FIG. 図6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。It is a distortion difference change rate curve when the load speed | rate of the candy (candy) by the apparatus of FIG. 6 is 1.0-2.5 microns per second. 図21から算出された硬さの負荷速度依存性を示す図である。It is a figure which shows the load speed dependence of the hardness computed from FIG. 図6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。It is a strain difference change rate curve in 2 degreeC-10 degreeC of the confectionery (caramel) by the apparatus of FIG. 図23から算出された硬さの温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the hardness computed from FIG. 図6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。It is a distortion difference change rate curve when the load speed of the confectionery (caramel) by the apparatus of FIG. 6 is 1.0 to 3.0 microns per second. 図25から算出された硬さの負荷速度依存性を示す図である。It is a figure which shows the load speed dependence of the hardness computed from FIG. 図6の装置による硬さの棒グラフである。It is a bar graph of hardness by the device of FIG.

Claims (11)

内外表面が球面である球殻の構造を持ち、その球殻の外面が対象物と接触した際にその内面に取り付けた歪みゲージによって異なる3ヶ所の変形を計測する触覚センサであって、対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出する少なくとも3個の検出素子を有し、かつこれらの検出素子の測定信号である球面変形信号を利用して曲面の中央が接触中心となるように調整する軸心調整機能を有することを特徴とする触覚センサ。   A tactile sensor that has a spherical shell structure whose inner and outer surfaces are spherical, and measures deformations at three different points depending on the strain gauge attached to the inner surface of the spherical shell when the outer surface of the spherical shell comes into contact with the target object. Has at least three detection elements that detect the strain distribution or stress distribution generated on the curved surface by contacting the surface, and the center of the curved surface is the center of contact using the spherical deformation signal that is the measurement signal of these detection elements A tactile sensor characterized by having an axial center adjustment function for adjustment so that 対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出し、接触中心と検出素子との相対位置を調整する軸心調整機能を有する請求項1に記載の触覚センサ。   The tactile sensor according to claim 1, wherein the tactile sensor has an axial center adjustment function that detects a strain distribution or a stress distribution generated on a curved surface by contact with an object and adjusts a relative position between a contact center and a detection element. 検出素子1の出力信号εと、検出素子2と検出素子3の出力信号εとεとが、ε/ε=1の条件を満たし、ε/εが極小値となるように接触中心と検出素子との相対位置を調整する請求項2に記載の触覚センサ。 The output signal ε 1 of the detection element 1 and the output signals ε 2 and ε 3 of the detection element 2 and the detection element 3 satisfy the condition of ε 3 / ε 2 = 1, and ε 2 / ε 1 becomes the minimum value. The tactile sensor according to claim 2, wherein the relative position between the contact center and the detection element is adjusted. 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   The tactile sensor according to claim 1, further comprising a detection element that detects a strain distribution generated on a spherical surface, an aspherical surface, or a non-planar curved surface by contact with an object, or a stress distribution from two different strains or stress values. 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被接触物質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。   The deformation resistance of the contacted material is detected from the change rate of the difference between two different strains measured using electrical, optical, magnetic, or acoustic means, and the hardness and softness of the contacted object are detected. The tactile sensor according to claim 1, wherein the feature is determined. 既知物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認知する機能を付与した請求項1に記載の触覚センサ。   The tactile sensor according to claim 1, which is provided with a function of recognizing the material of the contact material by quantitatively measuring the deformation of the sensor using a sensor made of a known substance. 弾性体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。   The tactile sensor according to claim 1, wherein a strain gauge is disposed inside a spherical shell structure having a curved elastic body. 弾性体曲面に少なくとも3個の歪みゲージを配置した信号処理手段と、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。   The tactile sensor according to claim 1, further comprising: signal processing means in which at least three strain gauges are arranged on the elastic curved surface; and signal processing means for processing the signals and calculating a strain difference change rate. 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8に記載の触覚センサ。   The tactile sensor according to claim 8, wherein the signal processing means includes a distortion conversion amplifier, an analysis value storage means, and an analysis value calculation means. 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材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。   A strain gauge that detects strain at the center position and non-center position, a means for calculating the hardness of the object from the rate of change of the strain difference, and a means for recognizing the material of the contact material by comparison with numerical values obtained experimentally The tactile sensor according to claim 1. 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、未知物質の硬さ、柔らかさ等の変形抵抗性を知覚する機能を有する請求項9に記載の触覚センサ。   The data calculated by the analysis value calculation means is compared with existing data and converted into perceptual data, thereby having a function of perceiving deformation resistance such as hardness and softness of an unknown substance. Tactile sensor.
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