JP4987304B2 - 柔軟接触型荷重測定センサ - Google Patents
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特にロボット、医療用ベッドなどの物体表面に固着させることによって、人体などの接触体との接触時に柔軟変形すると同時に、接触体から物体表面に作用する接触荷重(3軸方向の力)の大きさ及びその荷重方向を検出可能な柔軟接触型荷重測定センサに関する。
その際、人体に危険が及ばないよう、センサの検出部に柔軟材料を用い、二次元分布荷重を検出する方法が提案されている(非特許文献1、2)。しかし、二次元センサでは接触体から受ける接触荷重(3軸方向の力)の大きさ及びその荷重方向を検出することができない。
また、ロボット等に使用する力覚センサとしては、力作用部に加えられた力を6つの軸力に分けて検出する6軸力覚センサ(特許文献1)や、歪み検出素子としてのピエゾ抵抗素子を有し、微小部品や細胞等のハンドリング用の多軸力覚センサ(特許文献2)が提案されている。その他、電磁誘導式力覚センサ(特許文献3)、あるいは静電容量式力覚センサ(特許文献4)等もロボット等の力覚センサとして提案されている。
石川正俊,下条誠,「感圧導電性ゴムを用いた2次元分布荷重の中心の位置の測定方法」,計測自動制御学会論文集,18-7(1982),730-735. 棚橋ひとみ,渋谷惇夫,下条誠,「感圧導電性ゴムを用いた頭圧分布の計測法」,繊維製品消費科学,40-9(1999),605-610 多田充徳,柴田智広,今井正和,小笠原司,「人の把持力制御メカニズム研究のための指先変形と把持」,電子情報通信学会論文誌,84-6(2001),1033-1044. 大岡昌博,三矢保永,松永泰明,高柳旬一,「光導波形三軸触覚センサ搭載ロボット・マニピュレータによる表面段差の識別」,日本機会学会論文集(C編),65-637(1999),3665-3671.
一方、特許文献1、2に記載の力覚センサは、歪みゲージの抵抗変化やピエゾ抵抗素子の抵抗変化を測定するセンサ構造であり、センサ材料には強度の高い材料を用いているため、接触体と柔軟接触させることが困難となる場合がある。また特許文献3、4に記載の力覚センサは、前者が受信用コイルに流れる起電流の差動成分を測定するセンサ構成とされ、後者が可動板に加えた力と方向に対応して各可変静電容量部の静電容量が変化するセンサ構成とされているため、検出部の構造が複雑になる欠点がある。
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、検出部の構造が簡単でかつ消費電力が少ないうえに、接触体との接触時に柔軟変形すると同時に接触体から物体表面に作用する接触荷重の大きさ及びその荷重方向を迅速に検出可能な柔軟接触型荷重測定センサを提供することを目的とする。
1.接触体側に配置される弾性体からなる層と、物体側に配置される荷重測定層とを具備し、該荷重測定層は、可撓性を有する弾性体側の基板と、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板とからなり、接触体から物体に作用する接触荷重による前記可撓性を有する弾性体側の基板の沈み込みによってオン状態となる前記2つの基板の間に形成した電気回路のマイクロスイッチの位置を検出して、前記接触荷重の大きさ及びその荷重方向を測定することを特徴とする柔軟接触型荷重測定センサ。
3.前記弾性体側の基板にマイクロスイッチをオン状態とする電極が形成され、前記物体側の基板にマイクロスイッチが形成されてなることを特徴とする上記1.又は2.に記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
5.前記マイクロスイッチの端子が無負荷時の基準位置を通り、物体表面に垂直な軸(Z軸)と直交するX−Y軸面内に同じピッチでかつX、Y軸に対して対称位置に形成されていることを特徴とする上記1.〜4.のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
7.前記弾性体からなる層のさらに接触体側に、シリコンゴムなどの柔軟材で形成したスキン層を設けてなることを特徴とする上記1.〜6.のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
本発明の実施の形態に係る柔軟接触型荷重測定センサは、図1に示したように、最も接触体側にスキン層3を有し、続いて配置される弾性体1からなる層と、物体側に配置される荷重測定層2とからなる検出部を具備している。この荷重測定層2は、可撓性を有する弾性体側の基板2Aと、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板2Bとからなる。
本発明は、後述するテスト結果から、前記接触荷重に応じてオン状態となるマイクロスイッチの位置に基づいて、垂直方向荷重Pと面内方向荷重Qを求め、接触荷重の大きさと、その荷重方向を検出するようにしたことが特徴である。
この柔軟接触型荷重測定センサでは、弾性体側の基板2Aにマイクロスイッチをオン状態とする電極5を形成し、物体側の基板2Bに端子6を形成した(図2、及び図5、図6参照)。また、スペーサ4にポリエステルフィルムを用い、基板2Aと基板2Bとの間に配置し、無負荷状態でその間隔を0.05mmとした。図2中、9は、柔軟接触型荷重測定センサを載せた試験台を示し、それと物体側の基板2Bとの間にはロードセル10を配置した。
図3に示す結果から、弾性体1と弾性体側の基板2Aとの間の接触面積は、どの物質においても垂直方向荷重が増えるにしたがって線形的に増加すること、また、弾性体の基準位置からのずれ量δは、面内方向荷重の増大に伴い、2次的に増加することが判明した。
上記テストは、弾性体1として高シスイソプレンゴム(天然ゴム)製の中空球体(直径60mm)を用い、その中に空気、水、シリコンオイルを個別に120ml注入し、それぞれの弾性体1に対して、垂直方向荷重もしくはX軸方向に面内方向荷重を負荷して行った。
次いで、オン状態となるマイクロスイッチの位置に基づいて、弾性体1と弾性体側の基板2Aとの間の接触面積、及び弾性体の基準位置からのずれ量δとずれ方向が測定できることを図6を用いて説明する。
ところで、マイクロスイッチの端子6が無負荷時の基準位置を通り、物体表面に垂直な軸(Z軸)と直交するX−Y軸上に同じピッチでかつ前記基準位置に対して対称位置に形成されているセンサとするのが好ましい。この理由は、図7に示すように、所定の垂直方向荷重に対して、オン状態となるマイクロスイッチの数を少なくできるからである。
また本発明は、弾性体1からなる層のさらに接触体側に、シリコンゴムなどのスキン層3を設けてなるセンサとすることが、人体との接触による感触を向上させたり、センサの検出部汚れを防止できるので好ましい。
なお、直流電源7の電圧は電気回路がオフ状態、すなわち接触荷重が作用していない場合3.0Vとし、マイクロスイッチSと接続した一つの抵抗8の抵抗値は100オームである。図4中の出力+、−間の箇所を電圧測定器(センサインタフェース 共和電業製 PCD−300)で測った電圧とロードセルからの荷重信号はAD変換器を介してパソコンに取り込み、図13中の実測値とした。図13中、シミュレーション値は、球状の弾性体1の潰れていく様子を写真撮影しそれから接触面積を求め、オン状態のマイクロスイッチの個数を決定し、電圧を推定した結果を示す。
その結果を図14に示した。
2 荷重測定層
2A、2B 基板
3 スキン層
4 スペーサ
5 電極
6 マイクロスイッチの端子
7 直流電源
S マイクロスイッチ
8 抵抗
9 試験台
10 ロードセル
W ロボット、医療用ベッドなどの物体
O 無負荷時の基準位置
P 垂直方向荷重(物体表面に対して垂直な方向の荷重:Z軸方向荷重)
Q 面内方向荷重(物体表面に対して平行な方向の荷重)
δ 弾性体の基準位置からのずれ量(球状弾性体のZ軸(基準軸)からの移動量)
a スイッチ間隔
Claims (8)
- 接触体側に配置される弾性体からなる層と、物体側に配置される荷重測定層とを具備し、該荷重測定層は、可撓性を有する弾性体側の基板と、それから間隔を隔てて対向配置した物体側の基板とからなり、接触体から物体に作用する接触荷重による前記可撓性を有する弾性体側の基板の沈み込みによってオン状態となる前記2つの基板の間に形成した電気回路のマイクロスイッチの位置を検出して、前記接触荷重の大きさ及びその荷重方向を測定することを特徴とする柔軟接触型荷重測定センサ。
- 前記弾性体が球状又は半球状であることを特徴とする請求項1に記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
- 前記弾性体側の基板にマイクロスイッチをオン状態とする電極が形成され、前記物体側の基板にマイクロスイッチの端子が形成されてなることを特徴とする請求項1又は2に記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
- 前記基板の電気回路は、オン状態となるマイクロスイッチの数が増すほど合成抵抗値が低くなるように構成されてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
- 前記マイクロスイッチの端子が無負荷時の基準位置を通り、物体表面に垂直な軸(Z軸)と直交するX−Y軸面内に同じピッチでかつX、Y軸に対して対称位置に形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
- 前記マイクロスイッチの端子が無負荷時の基準位置を通り、物体表面に垂直な軸(Z軸)と直交するX−Y軸上に同じピッチでかつ前記基準位置に対して対称位置に形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の柔軟接触型の荷重測定センサ。
- 前記弾性体からなる層のさらに接触体側に、シリコンゴムなどの柔軟材で形成したスキン層を設けてなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
- 前記弾性体と前記荷重測定層とを有する検出部が物体表面に複数配置されてなることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の柔軟接触型荷重測定センサ。
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