JP5071255B2 - ロボットハンド用触覚センサー機構及びそのロボットハンド用触覚センサー機構を備えるロボット - Google Patents

Description

この発明は、ロボットハンド用触覚センサー機構及びそのロボットハンド用触覚センサー機構を備えるロボットに関する。

従来のロボットハンド用触覚センサー機構が、例えば、特許文献１に記載されている。このロボットハンド用触覚センサー機構の構成を図１５に示す。この触覚センサー機構５０は、弾性材からなるキャップ５１と、キャップ５１を固定する指先保持部５２と、圧力検出器５３とを有している。キャップ５１の内部には、非圧縮性流体が充填された中空状の液体充填層５４が設けられている。キャップ５１と圧力検出器５３とは、指先保持部５２に固定された円筒保持部５５により結合されており、円筒保持部５５には、薄い板状の梁部５６が４箇所に設けられ、各梁部５６の表面には歪ゲージ５７が設けられている。

把持対象物とキャップ５１との接触によりキャップ５１の腹部分に圧力が加わった場合、非圧縮性流体が液体充填層５４の容積を変化させることによって、この容積変化が圧力検出器５３の受圧部に伝えられて、容積変化に伴う圧力変化が検出される。一方、キャップ５１の爪部分に圧力が加わった場合には、圧力検出器５３による圧力検出は困難であるが、円筒保持部５５に設けられた梁部５６が微小変形して歪が発生するので、この歪が歪ゲージ５７に伝わり、その出力信号から圧力の作用方向及び大きさを検出することができる。

特開平６−１８２６８８号公報

しかしながら、特許文献１のロボットハンド用触覚センサー機構は、把持対象物との接触を広い範囲で検出可能にするために、圧力検出器５３の他、円筒保持部５５に４つの歪ゲージ５７を備えており、センサー類を多く設けなければならないといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、少ないセンサーまたは小さなセンサーで感知領域を広くしたロボットハンド用触覚センサー機構及びそのロボットハンド用触覚センサー機構を備えるロボットを提供することを目的とする。

この発明に係るロボットハンド用触覚センサー機構は、少なくとも１つの感圧センサーと、感圧センサーを内部に収容可能な形状を有すると共に蛇腹状の断面形状を有する外皮部と、外皮部が部分的に接着された本体部と、本体部に固定されると共に本体部と外皮部の内面とで形成される内部の空間に収容されるセンサー固定部とを備え、蛇腹状の断面形状を有する外皮部は、その法線方向に対して周期的な山頂部及び谷底部を有し、感圧センサーの少なくとも１つは、センサー固定部に設けられると共に外皮部の内面における谷底部に接し、感圧センサーの少なくとも１つは、外皮部の内面と本体部とで形成される空間の内部に設けられ、本体部と外皮部の内面とで形成される内部の空間に、外皮部の内面における谷底部に接する感圧センサーに一端が接すると共に外皮部の内面のうち感圧センサーが接している部分以外の部分に他端が接する連結部が設けられる。ロボットハンドに把持された把持対象物が外皮部に対して外力を加えると、外皮部の断面が蛇腹状であることにより、外皮部は、その断面形状が変化するように変形し、把持対象物が接している部分以外の外皮部の部分にもその変形が伝わるようになる。すると、連結部の端部に接する外皮部の内面にもその変形が伝わり、連結部が感圧センサー方向に押されて、外皮部による反力が感圧センサーに圧力を加えるようになる。この結果、感圧センサーが設けられた部分から離れた部分で把持対象物が把持されても、把持対象物が感知されるようになる。
センサー固定部に貫通孔が設けられ、連結部は貫通孔内を延びて、連結部の他端が外皮部のうち感圧センサーが接している部分以外の部分に接してもよい。
連結部は、センサー固定部を迂回するように湾曲して延びて、連結部の他端が外皮部のうち感圧センサーが接している部分以外の部分に接してもよい。
外皮部は、外皮部の外面の山頂部に外力が加えられることにより生じる外皮部の変形を、外力が加えられた山頂部以外の部分に伝えるようにその断面形状が変化してもよい。
センサー固定部に設けられた感圧センサーは、外皮部の内面における複数の谷底部に接してもよい。
この発明に係るロボットは、上記のいずれかに係るロボットハンド用触覚センサー機構を備えている。
尚、本願の特許請求の範囲及び明細書において、「接する」とは、単に接することだけではなく、直接的または間接的に固定されていることを含むものとし、「接着」とは単に接することではなく、固定されていることを意味するものとする。

この発明によれば、外皮部の断面が蛇腹状であることにより、ロボットハンドに把持された把持対象物が外皮部に対して外力を加えると、外皮部は、その断面形状が変化するように変形し、把持対象物が接している部分以外の外皮部の部分にもその変形が伝わるようになる。すると、連結部の端部に接する外皮部の内面にもその変形が伝わり、連結部が感圧センサー方向に押されて、外皮部による反力が感圧センサーに圧力を加えるようになる。この結果、感圧センサーが設けられた部分から離れた部分で把持対象物が把持されても、把持対象物が感知されるようになるので、少ないセンサーまたは小さなセンサーで感知領域を広くすることができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るロボットハンド用触覚センサー機構を図１に示す。ロボットハンド用触覚センサー機構１は、本体部２と、本体部２に接着されて本体部２と共に内部に空間４を形成するシリコンゴムからなるキャップ状の外皮部３と、本体部２に固定されると共に空間４内に収容された直方体形状のセンサー固定部５と、センサー固定部５に設けられた感圧センサー６とから構成されている。外皮部３のリング状の開口端部３ｃの全面は、本体部２に接着されている。感圧センサー６は、外皮部３の内面３ａに接するセンサー素子７と、センサー固定部５に固定された基盤８とから構成されている。尚、開口端部３ｃは、ロボットハンド用触覚センサー機構１を見たときに視認できないという意味で、本願では、外皮部３の内面３ａの一部であると定義する。

図２に示されるように、外皮部３は、その断面が蛇腹状の形状を有している。外皮部３は、その内面３ａのうち、蛇腹形状の谷底部３ａ１がセンサー素子７に接するように、部分的にセンサー素子７に接している。また、ロボットハンドに把持される把持対象物９は、外皮部３の外面３ｂのうち、蛇腹形状の山頂部３ｂ１が把持対象物９に接するように、部分的に外皮部３に接している。

次に、実施の形態１に係るロボットハンド用触覚センサー機構が、ロボットハンドによって把持された把持対象物を感知する動作について説明する。
図２に示されるように、感圧センサー６が設けられた部分に相当する外皮部３の部分に把持対象物９が接触している場合、把持対象物９が外皮部３に対して外面３ｂに対向する方向に外力Ｆｙを加えると、外皮部３は弾性体であるシリコンゴムから形成されていると共に開口端部３ｃが本体部に接着されているため、山頂部３ｂ１が下方に押しつぶされるように変形することにより、山頂部３ｂ１から谷底部３ａ１に向かう分力Ｆｙ’が外皮部３に伝わり、谷底部３ａ１が力Ｆｙ”でセンサー素子７を押すようになる。これにより、ロボットハンド用触覚センサー機構１が把持対象物９を感知する。

一方、図３に示されるように、感圧センサー６が設けられた位置から離れた部分で把持対象物９が外皮部３に接触している場合、把持対象物９が外面３ｂに沿った方向（矢印Ａで示された方向）に把持対象物９が移動すると、把持対象物９及び外皮部３間の摩擦力により、山頂部３ｂ１に外面３ｂに沿った方向（矢印Ｂで示された方向）に外力が加えられ、山頂部３ｂ１が矢印Ｂ方向に傾いた断面形状（破線で描かれた形状）に変化するように外皮部３が変形する。外皮部３は弾性体であるシリコンゴムから形成されていると共に開口端部３ｃが本体部２に接着されているため、把持対象物９が接している部分以外の外皮部３の部分にもこの変形が伝わる。この結果、センサー素子７に接している谷底部３ａ１の変形により、谷底部３ａ１がセンサー素子７を押す力の変化を、感圧センサー６が検出し、ロボットハンド用触覚センサー機構１が把持対象物９を感知する。

このように、外皮部３の断面が蛇腹状であることにより、ロボットハンドに把持された把持対象物９が外皮部３に外力を加えると、外皮部３は、その断面形状が変化するように変形し、把持対象物９が接している部分以外の外皮部３の部分にもこの変形が伝わるようになる。この結果、感圧センサー６が設けられた部分から離れた部分で把持対象物９が把持されても、把持対象物９が感知されるようになるので、少ないセンサーまたは小さなセンサーで感知領域を広くすることができる。

実施の形態１において、図２及び３に示されたような、滑らかな波形状を「蛇腹状」として説明したが、この形状に限定するものではない。外皮部３の厚さは変化しないで、外皮部３の法線方向に対して周期的な凹凸を有する形状であればどのような形状でもよく、例えば、図４に示されるように、直線的なギザギザ形状も「蛇腹状」に含まれるものとする。また、１つ１つの谷底部３ａ１や山頂部３ｂ１の高さや幅等が異なっていてもよい。
実施の形態１では、外皮部３の開口端部３ｃの全面は、本体部２に接着されていたが、この形態に限定するものではない。少なくとも開口端部３ｃの一部が本体部２に接着されていればよい。

実施の形態１では、感圧センサー６が、直方体形状のセンサー固定部５の表面のうち、本体部２に垂直な面に設けられていたが、この形態に限定するものではない。センサー素子７が外皮部３の内面３ａに接していればどこでもよく、例えば、図５（ａ）に示されるように、直方体形状のセンサー固定部５の表面のうち、本体部２と平行な面に設けられていてもよい。また、図５（ｂ）に示されるように、センサー固定部５ではなく、外皮部３と本体部２との間に感圧センサー６を設けてもよい。さらに、複数の感圧センサー６を、センサー固定部５の任意の部分や外皮部３と本体部２との間に設けてもよい。尚、センサー固定部５の形状も直方体形状に限定するものではなく、空間４内に収容することができれば、どのような形状であってもよく、例えば、円柱形状や三角柱形状等であってもよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係るロボットハンド用触覚センサー機構について説明する。尚、以下の実施の形態において、図１〜５の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係るロボットハンド用触覚センサー機構は、実施の形態１に対して、外皮部の断面形状を変更したものである。

図６に示されるように、外皮部１３の断面形状は、周期的に内面１３ａ及び外面１３ｂそれぞれに対して突出した突出部１３ａ１及び１３ｂ１が設けられた形状、すなわち周期的に外皮部１３の厚さが変化する形状を有している。その他の構成は、実施の形態１と同じである。

次に、実施の形態２に係るロボットハンド用触覚センサー機構が、ロボットハンドによって把持された把持対象物を感知する動作について説明する。
図６に示されるように、感圧センサー６が設けられた部分に相当する外皮部１３の部分に把持対象物９が接触している場合、把持対象物９が外皮部１３に対して外面１３ｂに対向する方向に外力Ｆｙを加えると、把持対象物９に押された突起部１３ｂ１が突起部１３ａ１を下方に押すことにより、突起部１３ａ１がセンサー素子７を押すようになる。これにより、ロボットハンド用触覚センサー機構１が把持対象物９を感知する。

一方、図７に示されるように、感圧センサー６が設けられた位置から離れた部分で把持対象物９が外皮部１３に接触している場合、把持対象物９が外面１３ｂに沿った方向（矢印Ｃで示された方向）に把持対象物９が移動すると、把持対象物９及び外皮部１３間の摩擦力により、突起部１３ｂ１に外面１３ｂに沿った方向（矢印Ｄで示された方向）に外力が加えられ、突起部１３ｂ１が矢印Ｄ方向に傾いた断面形状に変化するように外皮部１３が変形する。外皮部１３は弾性体であるシリコンゴムから形成されていると共に開口端部１３ｃが本体部２に接着されているため、把持対象物９が接している部分以外の外皮部１３の部分にもこの変形が伝わる。この結果、突起部１３ａ１がセンサー素子７を押す力が変化し、この変化を感圧センサー６が検出することにより、ロボットハンド用触覚センサー機構１が把持対象物９を感知する。

このように、外皮部１３の断面において周期的に厚さが変化することにより、ロボットハンドに把持された把持対象物９が外皮部１３に対して外力を加えると、外皮部１３は、その断面形状が変化するように変形し、把持対象物９が接している部分以外の外皮部１３の部分にもこの変形が伝わるようになる。この結果、感圧センサー６が設けられた部分から離れた部分で把持対象物９が把持されても、把持対象物９が感知されるようになるので、少ないセンサーまたは小さなセンサーで感知領域を広くすることができる。

実施の形態２では、突起部１３ａ１及び１３ｂ１がそれぞれ、外皮部１３の内面１３ａ及び外面１３ｂに対して突出していたが、この形態に限定するものではない。図８に示されるように、外面１３ｂは凹凸のない滑らかな表面であり、内面１３ａにのみ突出部１３ａ１が形成された形態でもよい。また、「周期的に厚さが変化する」とは、一定方向に厚さが増加だけする場合及び減少だけする場合を除く意味であり、１つ１つの突起部１３ａ１または１３ｂ１の形状や大きさあるいは隣り合う突起部間の間隔が異なっていてもよい。
実施の形態２において、実施の形態１における変形例と同様に、感圧センサー６をセンサー固定部５の任意の部分や外皮部１３と本体部２との間に設けてもよく、さらに、複数の感圧センサー６をこれらの箇所に設けてもよい。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係るロボットハンド用触覚センサー機構について説明する。この発明の実施の形態３に係るロボットハンド用触覚センサー機構は、実施の形態１に対して、外皮部の任意の箇所に加えられた外力が連結部を介して感圧センサーに伝わるようにしたものである。

図９に示されるように、直方体形状のセンサー固定部５には、センサー固定部５の長手方向に対して交差する方向に貫通孔２０が設けられ、貫通孔２０を塞ぐように感圧センサー６が設けられている。貫通孔２０には、円柱状の連結部２１が挿入され、連結部２１の一方の端部２１ａが感圧センサー６に接すると共に他方の端部２１ｂが外皮部３の内面３ａに接している。その他の構成は、実施の形態１と同じである。

次に、実施の形態３に係るロボットハンド用触覚センサー機構が、ロボットハンドによって把持された把持対象物を感知する動作について説明する。
図１０に示されるように、連結部２１の端部２１ｂが接している外皮部３の部分を、把持対象物９が外皮部３に対して外面３ｂに対向する方向に外力Ｆｙを加えると、連結部２１が感圧センサー６の方向（矢印Ｅの方向）に押される。すると、外皮部３からの反力Ｆによって感圧センサー６に圧力が加えられることにより、ロボットハンド用触覚センサー機構３０が把持対象物９を感知する。

また、感圧センサー６が設けられている部分及び端部２１ｂが接している部分から離れた部分で把持対象物９が外皮部３に接触している場合、実施の形態１と同様の原理で、外皮部３が、その断面形状が変化するように変形することによって感圧センサー６に圧力を加えるか、または、実施の形態１と同様の原理で、外皮部３がその断面形状が変化するように変形することによって連結部２１が矢印Ｅの方向に押され、外皮部３からの反力Ｆによって感圧センサー６に圧力が加えられて、ロボットハンド用触覚センサー機構３０が把持対象物９を感知する。

このように、センサー固定部５に設けられた貫通孔２０内に挿入するように連結部２１を設け、連結部２１の一方の端部２１ａが感圧センサー６に接すると共に他方の端部２１ｂが外皮部３の内面３ａのうち感圧センサー６が接している部分以外の部分に接するようにすることにより、端部２１ｂが接する外皮部３の部分に把持対象物９が外力を加えると、連結部２１が感圧センサー６方向に押されて、外皮部３による反力が感圧センサー６に圧力を加えるようになる。この結果、センサー固定部５に関して感圧センサー６が設けられた位置とは反対側の位置に相当する外皮部３の部分で把持対象物９が把持されても、把持対象物９が感知されるようになるので、少ないセンサーまたは小さなセンサーで感知領域を広くすることができる。また、実施の形態３に係るロボットハンド用触覚センサー機構は、実施の形態１と同じ構成の外皮部３を有しているので、実施の形態１と同じ効果を得ることができる。

実施の形態３では、円柱形状の連結部２１が、センサー固定部５に設けられた貫通孔２０に挿入されていたが、この形態に限定するものではない。連結部２１の端部２１ｂは、外皮部３の内面３ａのうちどの部分に接していてもよく、例えば、図１１に示されるように、センサー固定部５に貫通孔は設けないで、連結部２１を湾曲した形状にし、センサー固定部５を迂回するようにして外皮部３の内面３ａの任意の箇所に接するようにしてもよい。また、図１２に示されるように、感圧センサー６が設けられたセンサー固定部５の部分に切欠部２２を形成し、連結部２１の端部２１ａが、切欠部２２に挿入されて、基盤８のセンサー素子７が設けられた面とは反対側の面に接するようにしてもよい。

また、図１３に示されるように、湾曲した連結部２１の端部２１ａも、感圧センサー６が設けられた部分以外の外皮部１３の部分に接するようにしてもよい。この場合には、予め外皮部１３が感圧センサー６に圧力を加えた状態（外皮部１３が矢印Ｇ方向に力を加えた状態）にしておく必要がある。把持対象物９（図２等参照）を把持することにより、外皮部１３が連結部２１の端部２１ｂを端部２１ａ側に向かって（矢印Ｈ方向に）押すと、端部２１ａが外皮部１３を矢印Ｊの方向に押すようになる。すると、外皮部１３の感圧センサー６を押す力（矢印Ｇ方向の力）が低下するので、感圧センサー６がこの力（矢印Ｇ方向の力）の変化を検出することにより、ロボットハンド用触覚センサー機構３０が把持対象物９を感知する。また、外皮部１３は、実施の形態１と同様に断面形状が蛇腹状になっているので、実施の形態１と同様の動作によって、外皮部１３の感圧センサー６を押す力が上昇する。感圧センサー６がこの力の変化を検出することにより、ロボットハンド用触覚センサー機構３０が把持対象物９を感知することもできる。
尚、図１４に示されるように、貫通孔２０に挿入するように設けられた円柱状の連結部２１の両端部２１ａ及び２１ｂをそれぞれ、感圧センサー６が設けられた部分以外の外皮部１３の部分に接するようにし、予め外皮部１３が感圧センサー６に圧力を加えた状態（外皮部１３が矢印Ｇ方向に力を加えた状態）にした形態でもよい。

また、実施の形態３では、外皮部として、実施の形態１における外皮部３を用いたが、これに限定するものでもない。実施の形態２における外皮部１３を用いることもできる。
実施の形態１〜３では、外皮部の形状はキャップ状であったが、この形態に限定するものではない。内部に感圧センサー等を収容可能な空間を形成するような形状であればどのような形状でもよく、例えば、筒状であってもよい。実施の形態１〜３のようなキャップ状の場合には、ロボットハンドの指先に使用でき、筒状の場合には、指の節の部分で使用することができる。尚、板状のシート材を、本体部を包むように配置した形態であってもよい。

この発明の実施の形態１に係るロボットハンド用触覚センサー機構の断面図である。 実施の形態１に係るロボットハンド用触覚センサー機構の外皮部の一部分の拡大断面図である。 実施の形態１に係るロボットハンド用触覚センサー機構の外皮部の一部分の拡大断面図である。 実施の形態１に係るロボットハンド用触覚センサー機構の変形例の外皮部の一部分の拡大断面図である。 実施の形態１に係るロボットハンド用触覚センサー機構の変形例の断面図である。 実施の形態２に係るロボットハンド用触覚センサー機構の外皮部の一部分の拡大断面図である。 実施の形態２に係るロボットハンド用触覚センサー機構の外皮部の一部分の拡大断面図である。 実施の形態２に係るロボットハンド用触覚センサー機構の変形例の外皮部の一部分の拡大断面図である。 実施の形態３に係るロボットハンド用触覚センサー機構の断面図である。 実施の形態３に係るロボットハンド用触覚センサー機構が把持対象物を感知する原理を説明するための拡大部分断面図である。 実施の形態３に係るロボットハンド用触覚センサー機構の変形例の断面図である。 実施の形態３に係るロボットハンド用触覚センサー機構の別の変形例の断面図である。 実施の形態３に係るロボットハンド用触覚センサー機構のさらに別の変形例の断面図である。 実施の形態３に係るロボットハンド用触覚センサー機構のさらに別の変形例の断面図である。 従来のロボットハンド用触覚センサー機構の分解斜視図である。

符号の説明

１，３０ ロボットハンド用触覚センサー機構、２ 本体部、３，１３ 外皮部、３ａ，１３ａ （外皮部の）内面、５ センサー固定部、６ 感圧センサー、２０ 貫通孔、２１ 連結部。

Claims (6)

1. 少なくとも１つの感圧センサーと、
   前記感圧センサーを内部に収容可能な形状を有すると共に蛇腹状の断面形状を有する外皮部と、
   前記外皮部が部分的に接着された本体部と、
   前記本体部に固定されると共に該本体部と前記外皮部の内面とで形成される内部の空間に収容されるセンサー固定部と
   を備え、
   前記蛇腹状の断面形状を有する前記外皮部は、その法線方向に対して周期的な山頂部及び谷底部を有し、
   前記感圧センサーの少なくとも１つは、前記センサー固定部に設けられると共に前記外皮部の内面における前記谷底部に接し、
   前記感圧センサーの少なくとも１つは、前記外皮部の内面と前記本体部とで形成される空間の内部に設けられ、
   前記本体部と前記外皮部の内面とで形成される内部の空間に、前記外皮部の内面における前記谷底部に接する前記感圧センサーに一端が接すると共に前記外皮部の内面のうち前記感圧センサーが接している部分以外の部分に他端が接する連結部が設けられる、ロボットハンド用触覚センサー機構。
2. 前記センサー固定部に貫通孔が設けられ、
   前記連結部は前記貫通孔内を延びて、前記連結部の前記他端が前記外皮部のうち前記感圧センサーが接している部分以外の部分に接する、請求項１に記載のロボットハンド用触覚センサー機構。
3. 前記連結部は、前記センサー固定部を迂回するように湾曲して延びて、前記前記連結部の前記他端が前記外皮部のうち前記感圧センサーが接している部分以外の部分に接する、請求項１に記載のロボットハンド用触覚センサー機構。
4. 前記外皮部は、前記外皮部の外面の前記山頂部に外力が加えられることにより生じる前記外皮部の変形を、前記外力が加えられた前記山頂部以外の部分に伝えるようにその断面形状が変化する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットハンド用触覚センサー機構。
5. 前記センサー固定部に設けられた前記感圧センサーは、前記外皮部の内面における複数の前記谷底部に接する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボットハンド用触覚センサー機構。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットハンド用触覚センサー機構を備えるロボット。

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