JP5414682B2 - 触覚センサモジュール及び関連するセンサシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに規定されたような触覚センサに関する。

「皮膚状（skin-like）」の触覚センサは人型ロボットの分野への応用で知られており、当該分野における触覚センサは、ロボットと環境との間の接触に関する情報を提供するために、ロボット本体（外郭（shell））の硬質の外側部分に適用される。特に、これらのセンサにより、ロボットの被覆された領域に対して、物体、環境、又は人間から作用する圧力の検出を検出では、ロボットに接触する物体の形状を検出できる。

好適な幾何学的構造を有するセンサの配置を、ロボットの外郭の被覆された表面に応用することもでき、ロボットの外郭に適合し、特に関節ジョイントであるロボットの最小部分のみは被覆せずにおくことができる。

大面積で高分解能の「感知」表面を有することが当然好ましく、それは関連する電気制御の複雑性を過度に増大させることなく、可能な限り近接させた配置でセンサを設けることで得られる。

特許文献１は、それぞれ少なくとも１個の触覚センサを備えるモジュラーパッチ（modular patches）の接続と、マイクロコントローラユニットとに基づき、あらゆるノード（node）から取得された触覚情報をロボットを制御する中央プロセッサに送ることができるセンサの論理ネットワークを得るようにした、人工皮膚のための通信ネットワークを開示している。物理レベルでは、ネットワークは完全に接続されている。論理レベルでは、プロセッサネットワークの分野で採用されている技術（動的ソースルーティングプロトコル：Dynamic Source Routing Protocol）が、ネットワークトポロジを再構築するために使用されている。

有利なことに、ネットワークトポロジに対して配慮することなく、無数のパッチを相互に接続することが可能であり、後に再構築される。

しかしながら、この解決手段は、個々のパッチは必要な電子部品の観点からすると非常に複雑であるため、相対コストが高く、エネルギ消費を無視できないという欠点がある。また、種々のノード間の多くの接続を物理的に実行しなければならず、それによってデータルーティングが特に複雑になる。

特許文献２は、検出された圧力データを無線伝送するようになっている、フィルムに配置された「帯状（strip）」の触覚センサの実施を開示している。この場合、より多くのセンサを備えるパッチ構造ではなく、すべてのセンサは相互に接続されてフィルム上に存在する供給トラック（supply track）を介して供給可能になっている。その代わり、通信は無線で行われる。

不利なことに、ロボットのモータに起因する電磁干渉のためにロボットを囲む環境は一般に非常にノイズが多く、このことは情報の無線通信を困難にし、利用可能な無線帯域が減少するにもかかわらず、情報量は多い。

非特許文献１は、触覚素子をトランスデューサ及び通信手段として使用する触覚センサシステムを開示している。個々のセンサ素子はマイクロ回路を介して他のセンサ素子に接続され、マイクロ回路の役割は触覚素子からの測定信号を外部のプロセッサに送ることである。個々の触覚素子は、信号のルーティングを行う種々の通信マイクロ回路間のトランスデューサ及び電気接続の両方として使用される。不利なことに、この構造の実施は特に複雑で（実際、検出条件とデータ伝送条件を管理する必要がある。）、空間分解能が大幅に低下する。

非特許文献２は、可撓性基板上に実装されたＬＥＤ光検出器の対で形成された光学触覚センサを開示し、ＬＥＤ光検出器の対はＬＥＤが放射した光線の屈折の変化をセンサコンタクト層が受ける機械的変形の関数として検出する。

可撓性印刷回路シート上でさらに多くのセンサ素子が得られ、センサ素子の配置は、三次元的、つまり湾曲した表面を被覆できる特定の幾何学的配列を有する。全体として、キャッシュシートは矩形状であり、寸法が１２０×２００ｍｍであり、その上に３２個のセンサが配置されている。このシートは折り曲げ及び切断自在であり、相互に接続される。個々のシートは、センサ素子から取得される測定データを管理するようになっているマイクロコントローラを備え、隣接するシート間の個々の接続端子は端部に存在している。

回路構造の観点から、個々のシートは３２個の８ビット圧力データを収集するようになっている。いくつかのシートがシリアル通信バスにより相互に接続され、シリアル通信バスは、すべての検出されたデータを逐次収集するために種々のシートに対する割り当てを制御する電子ボードに配置されたマスタマイクロコントローラにより制御される。同様に、マスタマイクロコントローラが相互に接続され、かつＬＩＮネットワークを介してロボットを制御する中央プロセッサに接続される。

個々のシートの各接続端子は、データの入力又は出力ポートとみなすことができ、シリアル通信バス上に電気的反射を起こさせ、シリアル通信バスが終端を有さないために悪化し、シリアル通信バスの性能を低下させる伝送ループをシリアル通信バスが形成する可能性があるという欠点がある。

可撓性印刷回路を基板として使用すると、同じ基板で接続を実現するためにデータルーティングの問題を低減するが、達成し得る空間分解能が低く、センサの構成部品の寸法が大きいこと、センサの構成部品間で要求されるであろう電気的接続の増加、電力供給の要求が高いこと等の理由により、提案されている構造によって達成されている１２０×２００mmの面積に３２個のセンサという密度を増加することは困難である。

さらに、デバイスのエネルギ消費制限のために、マイクロコントローラはいくつかのシートからのデータ収集を逐次実行するので、センサ素子の特定の技術的な実施ではセンサ素子の測定データを同時に読み取ることができない。そのため、センサからデータの平均測定値を得られず、同じデータの後処理でなければ平均測定値は得られない。

特開２００６−２８７５２０号公報 特開２００２−３５２３７０号公報

星貴之、篠田裕之、「接触領域感知触覚素子に基づく人工皮膚」、２００６年度ロボティクスとオートメーションに関するＩＥＥＥ国際会議の紀要、オーランド、フロリダ、２００６年５月（T.Hoshi, H.Shinoda, "Robot Skin Based on Touch-Area-Sensitive Tactile Element," "Proceeding of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation," Orland, Florida, May 2006） 大村吉幸、國吉康夫、「適合及び拡張可能な曲面用の触感センサ皮膚」、２００６年度ロボティクスとオートメーションに関するＩＥＥＥ国際会議の紀要、オーランド、フロリダ、２００６年５月（Y.Ohmura, Y.Kuniyoshi, A. Nagakubo, "Conformable and Scalable Tactile Sensor Skin for Curved Surfaces," "Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation," Orland, Florida, May 2006）

特に、本発明の目的は、高分解能を達成するために検出デバイス（トランスデューサ）が低減された寸法を有し、任意に湾曲して拡がる面に適用可能であり、ロボットへの取り付けにおける電子制御構造の全体寸法とエネルギ消費を最大限に最小化する、触覚センサの配置（arrangement）を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、軽度及び重度の接触、すなわちロボットの全体重に等しい接触や、ロボット本体が受ける可能性がある衝撃力やせん断力に対する抵抗に対し、広範囲の検出感度を有する触覚センサの配置を提供することにある。

本発明によれば、これらの目的は請求項１の特徴を有する触覚センサの配置によって達成される。

詳細な実施形態は従属項の対象となっている。

要約すれば、本発明は、曲面に容易に適合できる特性がある三角形領域を有する可撓性基板上のセンサの配置を含む、センサモジュールの使用の原理に基づく。個々のセンサの配置は、外部の物体又は環境との接触を検出する複数の圧力検出デバイス／トランスデューサと、圧力検出デバイス／トランスデューサに生成よって生成されて外部の物体又は環境との接触の有無と強度を示す対応する複数のアナログ測定信号を処理するようになっている関連するマイクロ回路とを備える。

シリアルバスは、個々のマイクロ回路を、マスタボードにオンボードで配置されたマイクロコントローラ回路に接続し、マスタボードは被覆されるロボットの一部分の内部に配置できる。

全体の検出システムは、接触測定値を得るためにそれぞれ複数の関連するセンサのモジュール配置に接続するようになっている、複数のマイクロコントローラ回路を備える。マイクロコントローラ回路は、ネットワーク中で、相互に接続されると共に、すべての得られた測定値の収集とロボットを囲む環境の認識のための得られた測定値の処理を可能とするために、ＣＡＮ通信バスを介して中央プロセッサに接続されている。

本発明の他の特徴及び利点は、非限定的な例示であって、添付図面を参照する以下の実施形態の詳細な説明において、より詳細に言及される。

本発明の対象であるセンサモジュールの図。 図１のセンサモジュールの個々のセンサデバイスの模式図。 本発明に従って連結され１セットのセンサモジュールの図。 複数の本発明に係るセンサモジュールを備えるセンサシステムの制御アーキテクチャの模式図。 図４の検出システム制御アーキテクチャの回路ブロック図。

本発明の対象である触覚センサ１０のモジュール配置を図１に示す。

モジュール配置は、第１の表面に配置された複数の触覚センサデバイス（トランスデューサ）１４と、マイクロ回路１６と入力／出力ポートを含む対向する表面に配置された信号の取得及び調節ための電子部品とを支持する、可撓性の回路ボード１２の態様の平面基板を備える。

さらに詳しくは、１セットのポート１８は、入力接続端子ポート１８’と、少なくとも１個の出力接続端子ポート１８’’とを備え、すべてのポートは他の同様のモジュールの側面に接するようになっている基板の縁に隣接して配置されている。個々のポートは、相互に接続されると共に、供給ライン（供給及びグランド電圧）、クロックライン、及び好適な実施形態では４個の並列通信チャネルを有するデータ通信シリアルバスＢ（１２Ｃ又はＳＰＩ）に接続されるように寸法が設定された複数の接触導電性パッドを備える。

マイクロ回路は、例えば、アナログ・デバイセズ社（Analog Devices）のＡＤ７１４２チップである。

図における表現では、センサ配置は例としての三角形状であり、この三角形状は多数の軸周りに折り曲げることで容易に適合させることができ、検出デバイスは互いに等間隔に配置される点で、一般に好ましい。

個々の検出デバイスは既知の容量型であり、円形電極２０と同心の環状電極２２とを備え、これらの間には電界が形成される。グラウンド面として機能するグラウンドに接続された導電性組織で被覆されている柔軟な誘電被覆材料の層２４に、この電界が閉じ込められている。

マイクロ回路１６は、検出デバイスの円形電極２０に印加される例えば周波数２５０ＫＨｚの矩形波電圧信号であるセンサ励起信号を生成する手段３０と、環状電極２２に生じる電圧信号を取得すると共に接触アナログ（容量性）測定のデータを通信バスＢに供給するようになっているアナログ−デジタル変換回路３２とを備える。

機能中は、物体Ｏが検出デバイスを押圧すると、グラウンド面から電極２０，２２までの距離が減少するので電極間の電界の電気力線が変化し、それによってセンサの公称容量値が増加する。

個々のモジュールに１２個の検出デバイスを設ける場合、マイクロ回路は容量値を示す１６ビットのデータを１２個提供するように構成される。

本発明に係る全体の検出システムは、上記したタイプのセンサのモジュール配置を複数個接続することで形成され、モジュールは同じ大きさを有する必要はなく、個々の入力接続端子１８’と出力接続端子１８’’とが対向関係となるように横並びで側部が隣接される。この態様で実施されたシステムを図３に示す。

図３、図４、及び図５を参照すると、図３の検出システムの制御アーキテクチャが図示されている。

複数のマイクロコントローラ回路４０が設けられ、個々のマイクロコントローラ回路４０は通常のプリント回路ボード型のマスタ回路ボード４２にオンボードで格納されており、マスタ回路ボード４２は、被覆されるロボットの一部の内部に取り付け可能であって、供給ライン、クロックライン、シリアル通信バスＢ、及びセンサモジュールの入出力ポート間の相互通信の経路を含むケーブル４４（例えば、いわゆるフラットケーブル）を介して、マイクロ回路１６のセットに接続される（例えば１６個のマイクロ回路に接続可能で、個々のマイクロコントローラは１９６個の測定値を同時に取得するように構成されている。）。

個々のマイクロコントローラ回路は、関連する個々のセンサモジュール配置をプラグラミングし、センサモジュール配置で得られた測定値を読み取り、かつ読み取った測定値を、場合によって例えば圧縮であるローカルのデータの前処理後に、処理ユニットに送る機能を果たす。

マイクロコントローラ回路４０はネットワーク中でＣＡＮ通信バスを介して中央処理プロセッサに接続され、すべての検出されたデータの収集とそれらのデータの完全な処理を可能とするために、マイクロコントローラ回路４０は個々の送受信モジュールを介してＣＡＮ通信バスに向く。

有利なことに、ここでは単に例示として三角形状で同じ寸法として表している個々のセンサ配置モジュールは、予め互いに接続された可撓性のプリント回路上に実装されているので、上述のモジュールを含むシートは、余分なモジュールの切断と除去による単純なシート形状操作を実行した後に、被覆されるロボットの外郭部分に巻き付けることができる。電気的に接続されない隣接するモジュールの縁において打ち抜きを行うことで、同じ切断操作の効率を上げることができる。

三角形状のモジュールのサイズは、被覆することを予定している表面の曲率や、実現を予定している分解能の関数として、製造中に変更してもよい。実際のところ、三角測量法を適用して三角形の相対グリッドを計算した後、計算されたいわゆる三角形のグリッドを平面に配置することで、特定の曲面の被覆を設計できると共に、１つの入力通信ポートと複数の出力通信ポートを個々のモジュールに割り当てて、隣接するモジュール間の相対的な信号ルーティングのレイアウトを設計できる。各辺について最小の２０mmと最大の１００mmの間の範囲の寸法が、現在の技術で得られる。

センサ配置の寸法は変更及び適合化可能であるので、単にモジュールやモジュールのセットの異なる部分に属する検出デバイスからの圧力測定値の平均を計算することで、センサ配置の分解能をソフトウエアによって、つまり物理的ではなく論理的に変更及び適合化可能である。

有利なことに、本発明の対象であるセンサ配置であれば、すべての検出デバイスからの個々の測定値を別個に逐次に読み取るため（１２個の検出デバイスについて総時間が約１８ms）、あるいは検出デバイスの全測定信号の和に関する全測定値を検出するため（１．５ms程度の大幅に短い時間で可能）に、２種類の異なる方法でマイクロ回路１６により圧力状態を読み取ることができる。

この態様で、空間分解能が低い場合でも接触に関する最初の情報を非常に迅速に提供できる高感度のロボットの被覆を作り出すことができ、上手く接触領域が個別化されている場合、単にマイクロ回路１６の読み取り可能モードを切り換えることで、時間分解能を失うが、そのような接触領域での空間分解能が高めることができる。

本発明の対象の解決手段のさらなる利点としては、エネルギ消費の低減を個々のセンサ配置（約１mA程度）とマイクロコントローラ（１０から５０mAの範囲）について実現できる。個々の感知素子毎にマイクロコントローラを使用し、測定毎の平均吸収が約１０mAである既知の解決手段と異なり、提案された解決手段により測定後との平均吸収は約０．１mAに適切に低減される。

さらにまた、本発明に係るセンサ配置によれば、通信バスラインと各センサモジュールの関連するデータアドレスの選択のためのストリップを介して通信バスラインとマイクロ回路の接続を使用することで、全センサステムトポロジーを事後的に構成することが可能である。実際、センサモジュールに対するアドレスの割り当ては、予め定められたマイクロ回路の端子をグラウンド又は供給電圧に接続することで生じる。この接続は、例えば小さな接続ブリッジ又は同様の接続部材を溶接することで事後的に自動態様で適用でき、被覆されるロボットの個々の部分に応じて特殊なシートを設計する必要をなくすことができる。

本発明の原理を理解に基づいて、添付の請求の範囲に規定された保護範囲から離れることなく、実施形態及び実施形態の詳細を非限定的な例示としてのみ説明され図示されたものに対して広範に変更可能であることは、明らかである。

１２ 平面基板
１４ 圧力検出デバイス
１６ マイクロ回路
１８’ 入力接続端子ポート
１８’’ 出力接続端子ポート
２０ 円形電極
２２ 環状電極
３０ センサ励起信号を生成する手段
３２ アナログ−デジタル変換回路
４０ マイクロコントローラ回路
Ｂ シリアル通信バス

Claims (11)

1. 触覚センサモジュールであって、
   ロボット本体の被覆を形成するように構成され、複数の圧力検出デバイス（１４）を支持する可撓性の平面基板（１２）と、
   前記圧力検出デバイス（１４）から外部の物体（Ｏ）との接触を示す電気信号を取得するように前記平面基板に配置された、前記圧力検出デバイスに接続された信号取得手段（１６）とを備え、
   前記信号取得手段（１６）は、複数の前記触覚センサモジュールが共有するシリアル通信バス（Ｂ）に接続され、複数の前記触覚センサモジュールにより取得された信号を外部マイクロコントローラ処理ユニットに供給するようになっており、
   前記触覚センサモジュールは、前記シリアル通信バスの単一の信号入力接続ポート（１８’）と、前記シリアル通信バスの少なくとも１つの出力接続ポート（１８’’）とを備え、複数の互いに接続された前記触覚センサモジュールで前記シリアル通信バス（Ｂ）の分岐経路を構成するようになっている、触覚センサモジュール。
2. 個々の前記圧力検出デバイス（１４）は、その間に電界が形成される対向電極（２０，２２）を備え、前記電界は、前記対向電極（２０，２２）の変形によって前記物体（Ｏ）と接触したときに変化可能である、請求項１に記載の触覚センサのモジュール。
3. 前記信号取得手段は、個々の圧力検出デバイス（１４）の電極（２０）に励起電気信号を供給するようになっている電界励起手段（３０）と、前記励起電気信号により誘導されて前記電極（２０，２２）の配置の変形により変化し得る電界と関連する対応電圧信号の読み取り手段（３２）とを有するマイクロ回路（１６）を備える、請求項２に記載の触覚センサモジュール。
4. 前記マイクロ回路（１６）は、前記平面基板（１２）の前記圧力検出デバイス（１４）を支持している表面とは反対側の表面に配置されている、請求項３に記載の触覚センサモジュール。
5. 前記可撓性の平面基板（１２）は三角形状である、請求項１から請求項４のいずれかに記載に触覚センサモジュール。
6. 前記圧力検出デバイス（１４）は互いに等間隔で配置されている、請求項５に記載の触覚センサモジュール。
7. 前記シリアル通信バス（Ｂ）は、複数の測定データ伝送チャネルと、電力供給ラインと、クロックラインとを備える、請求項１から請求項６のいずれかに記載の触覚センサモジュール。
8. 前記入力接続ポート（１８’）と前記出力接続ポート（１８’’）は、前記測定データ伝送チャネル、前記電力供給ライン、及び一時信号ラインをルーティングするように構成された接続パッドを備える、請求項７に記載の触覚センサモジュール。
9. 前記マイクロ回路（１６）は、個々の前記圧力検出デバイス（１４）で取得された測定データを逐次読み取るように構成されている、請求項３に記載の触覚センサモジュール。
10. 前記マイクロ回路（１６）は、複数の前記圧力検出デバイス（１４）で取得された測定データの平均を読み取るように構成されている、請求項３に記載の触覚センサモジュール。
11. ロボットのためのシステムであって、触覚センサモジュール（１０）のセットと関連付けられた少なくとも１つのマイクロコントローラ処理ユニット（４０）に接続され、かつ前記ロボットを制御する中央プロセッサがアクセス可能なデータ収集及び伝送バスに接続された請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の複数の触覚センサモジュール（１０）を備える、ロボットのためのシステム。

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