JP5498227B2 - 滑り覚検知装置及び滑り覚検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、多軸力センサなどの力覚センサを用いて滑り覚を検知する滑り覚検知装置及び滑り覚検知方法に関する。

ロボットハンド等の自動作業機械では、その作業動作上で、作業対象物に対して力を加えたり、外界から力の作用を受けたりする。この場合、自動作業機械では、自身に加わる外部からの力やモーメントを検出し、当該力やモーメントに対応した制御を行うことが要求される。力やモーメントに対応する制御を高精度で行うためには、外部から加わる力とモーメントを正確に検出することが必要となる。

そこで従来から、外力に比例した変形量に基づき力を測定する弾性式力覚センサが提案されている。弾性式力覚センサは、原理的な構造として、外力に応じて弾性変形する起歪体の部分に複数の歪検出用抵抗素子を設けた構造を有するものが知られている。弾性式力覚センサの起歪体に外力が加わると、起歪体の変形度合い（応力）に応じた電気信号が複数の歪検出用抵抗素子から出力される。これらの電気信号に基づいて起歪体に加わった２成分以上の力等を検出することができる。弾性式力覚センサで生じる応力の測定は、上記電気信号に基づいて算出される。

弾性式力覚センサの一種として、起歪体部分に複数の歪検出用抵抗素子を備えた多軸力センサが知られている。例えば、６軸力センサは、外力を、直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各軸方向の応力成分（力：Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）と、各軸方向のトルク成分（モーメント：Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に分け、６軸成分として検出するものである。

６軸力センサの従来例として特許文献１に開示される６軸力センサは、半導体製造プロセスを利用して半導体基板上の起歪体の部分に複数の歪検出用抵抗素子を所定の配置パターンで一体的に組み付けている。当該６軸力センサは、ほぼ正方形の平面形状を有する板状の半導体基板から成り、周囲部分の支持部と、中央部分に位置する平面形状がほぼ正方形の作用部と、正方形の作用部の４つの辺の各々と支持部の対応部分との間を連結する連結部とから構成されている。歪検出用抵抗素子は、正方形作用部の各辺と連結部との間の境界部に設けられる。この６軸力センサによれば、起歪体の部分の形態を改良し、複数の歪検出用抵抗素子の配置パターンを最適化するとともに、歪検出用抵抗素子と同等の熱影響を受ける位置であって、かつ応力の影響を受けない位置に温度補償用抵抗素子を設けることで、高精度な応力検出を行うことができる。

一方、ロボットハンド等の自動作業機械では、把持した対象物が滑って落下することなどを防止するために、対象物から受ける接触力や、接触力の作用位置等を測定して、対象物の滑りを滑り覚として検知することが行われている。

例えば、特許文献２には、接触力の作用に対抗して固定されるべき根元片の先端部に、センサ片を介して、接触力を直接に受けるべき指先片を突設し、センサ片には、根元片寄りの第１検出位置と指先片寄りの第２検出位置の夫々に、各検出位置に作用する曲げモーメントを検出するためのセンサを設け、第１検出位置及び第２検出位置における曲げモーメントの検出値に基づいて、指先片に作用する接触力の作用位置を導出する触覚センサ装置が開示されている。この触覚センサ装置によれば、接触力の作用位置の変化に基づいて、把持した対象物が滑っているか否かを感知することができる。

特開２００６−１２５８７３号公報 特開平８−２５４４７１号公報

しかしながら、ロボットハンド等の自動作業機械に滑り覚を検知させるために、前記した多軸力センサなどの力覚センサの他に、特許文献２に記載のような触覚センサ装置を設けると、部品点数が大幅に増加して、装置の複雑化や大型化に加え、製造コストの増大を招くこととなる。
そのため、力覚センサだけで滑り覚をも検知することが望まれていた。

本発明は、これらの事情に鑑みて成されたものであり、力覚センサを用いて滑り覚を検知する滑り覚検知装置及び滑り覚検知方法を提供することを課題とする。

本発明に係る滑り覚検知装置は、対象物と前記対象物に接触する接触部との間に生じた滑りを検知する滑り覚検知装置であって、歪検出用抵抗素子を用いて前記接触部に印加された外力を検出する力覚センサと、前記歪検出用抵抗素子に所定周波数の初期信号を入力する信号入力部と、前記歪検出用抵抗素子からの出力信号を周波数解析する周波数解析部と、前記周波数解析部において検出された周波数成分のうち、前記初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が閾値を超える場合は、前記対象物と前記接触部との間に滑りが生じたと判定し、前記初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が前記閾値以下である場合は、前記対象物と前記接触部との間に滑りが生じていないと判定する滑り覚判定部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る滑り覚検知方法は、対象物と前記対象物に接触する接触部との間に生じた滑りを検知する滑り覚検知方法であって、前記接触部に印加された外力を検出する力覚センサに設けられた歪検出用抵抗素子に所定周波数の初期信号を入力する初期信号入力ステップと、前記歪検出用抵抗素子からの出力信号を周波数解析する周波数解析ステップと、前記周波数解析部において検出された周波数成分のうち、前記初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が閾値を超える場合は、前記対象物と前記接触部との間に滑りが生じたと判定し、前記初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が前記閾値以下である場合は、前記対象物と前記接触部との間に滑りが生じていないと判定する滑り判定ステップと、を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、対象物と接触部との間に滑りが生じた場合、対象物と接触部との摩擦による振動が力覚センサに伝達され、歪検出用抵抗素子の抵抗値が周期的に変化する。歪検出用抵抗素子には、所定周波数の初期信号が入力されているため、歪検出用抵抗素子からの出力信号は、初期信号による所定周波数の波形と、この周波数とは異なる摩擦の振動による周波数の波形との合成波形となる。そして、この検知信号を周波数解析し、初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が予め設定した所定の閾値を超える場合には、対象物と接触部との間に滑りが生じたと滑り覚判定部が判定する。これにより、力覚センサ以外のセンサを設けることなく、対象物と接触部との間に滑りが生じたことを検知することができる。

また、前記接触部の表面はエラストマーで被覆されており、前記初期信号の周波数は、前記エラストマーの固有周期よりも高く設定されているのが好ましい。

かかる構成によれば、接触部の表面がエラストマーで被覆されているので、対象物が滑ったときに振動を生じ易い。また、エラストマーの固有周期は金属などの固有周期に比較して低い（例えば数十Ｈｚ程度）ため、初期信号の周波数を高く（例えば数ｋＨｚ程度）設定することによって、初期信号の周波数成分と滑りによる周波数成分との相違が明確になり、検出精度を向上させることができる。

本発明によれば、力覚センサを用いて滑り覚を検知する滑り覚検知装置及び滑り覚検知方法を提供することができる。

本実施形態に係る滑り覚検知装置を適用した自動作業機械の概略側面図である。 （ａ）は、接触部と力覚センサの断面図であり、（ｂ）は、力覚センサの斜視図である。 配線を除外して示した力覚センサの平面図である。 力覚センサの平面図である。 歪検出用抵抗素子と温度補償用抵抗素子の電気接続関係を示す回路図である。 （ａ）は、センサ出力信号の処理回路を示すブロック図であり、（ｂ）は、演算部のブロック図である。 （ａ）は、センサ出力信号の波形を模式的に示すグラフであり、（ｂ）は、時間ｔ１から時間ｔ２におけるセンサ出力信号を周波数解析したスペクトル分布図である。 滑り覚検知装置の動作フロー図である。

本発明の第１実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態では、部品などの対象物を把持して製品に組み付ける自動作業装置に本発明を適用した場合を例にとって説明する。

図１は、本実施形態に係る滑り覚検知装置を適用した自動作業機械の概略側面図である。
図１に示すように、自動作業装置Ｒは、例えばいわゆるロボットハンドであり、製品を製造する工場のラインに沿って設置されている。自動作業装置Ｒは、床面に設置された装置本体Ｒ１と、装置本体Ｒ１の上部に設置された腕部Ｒ２と、腕部Ｒ２の先端に設けられた把持部Ｒ３と、を有している。
腕部Ｒ２は、複数の関節部ｒを有しており、水平方向或いは垂直方向に回動して、先端の把持部Ｒ３を所望の位置や向きに配置することが可能になっている。
把持部Ｒ３は、対象物たる部品Ｐに接触する一対の接触部Ｒ４と、一対の接触部Ｒ４を互いに近接・離間させる駆動部Ｒ５とを有している。接触部Ｒ４の内部には、接触部Ｒ４が部品Ｐから受ける外力Ｆを検知するための力覚センサ１が設置されている。
装置本体Ｒ１は、腕部Ｒ２や把持部Ｒ３の動作を制御する制御部Ｒ６や電源装置（図示省略）等を有している。
自動作業装置Ｒは、例えば、予め記憶されたプログラムにしたがって、作業台Ｄに載置された対象物たる部品Ｐを把持部Ｒ３で把持した後、腕部Ｒ２を駆動して製品の取付位置まで部品Ｐを運搬し、部品Ｐを製品に取り付ける動作を行う。

図２の（ａ）は、接触部と力覚センサの断面図であり、（ｂ）は、力覚センサの斜視図である。
図２（ａ）に示すように、接触部Ｒ４は、中空筒状を呈する金属製の本体部Ｒ４ａと、この本体部Ｒ４ａの表面に被覆されたエラストマーＲ４ｂと、を有している。
接触部Ｒ４には、部品Ｐを把持するときに部品Ｐから受ける反力Ｆ１と、部品Ｐが滑ったときに、部品ＰとエラストマーＲ４ｂとの間に生じる摩擦力Ｆ２と、が作用する。
なお、以下の説明においては、反力Ｆ１と摩擦力Ｆ２とを合わせて外力Ｆという場合がある。

本体部Ｒ４ａの先端側は、ドーム状に形成されて閉塞されており、本体部Ｒ４ａの基端側は、駆動部Ｒ５（図１参照）に連結されている。
エラストマーＲ４ｂは、いわゆるゴムであり、例えばシリコーンゴムやフッ素ゴムなどで構成されている。エラストマーＲ４ｂは、本体部Ｒ４ａを構成する金属材料などに比較して低い固有振動数を有しており、接触部Ｒ４と部品Ｐとの間に滑りが生じたときに、低い周波数の振動を発生させる機能を有している。

力覚センサ１は、例えば６軸力センサであり、外力Ｆを、直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各軸方向の応力成分（力：Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）と、各軸方向のトルク成分（モーメント：Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に分け、６軸成分として検出する機能を有している。
力覚センサ１は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、台座１１と、円筒形の減衰機構１２と、力覚センサ用チップ２とから構成される。

台座１１は、例えばステンレス材（ＳＵＳ）で作られた支持台部分を形成している。台座１１の一端側（図２では下側）には、中央部にセンサチップ支持部１１ａが設けられ、周縁部に減衰機構支持部１１ｂが設けられている。センサチップ支持部１１ａにはガラス台座１３及び接合層１４を介して力覚センサ用チップ２が取り付けられている。また減衰機構支持部１１ｂには、接合層１５を介して減衰機構１２が取り付けられている。台座１１の他端側１１ｃは、本体部Ｒ４ａの内部に充填された樹脂などに固定されている。

減衰機構１２は、外力や荷重を受け、当該外力を連結ロッド１６を介して力覚センサ用チップ２に伝達するとき、力覚センサ用チップ２に伝達される当該外力を弱くする緩衝機構である。減衰機構１２は、接合部１８を介して連結ロッド１６の一端側を保持する円筒状の保持部１２ａと、保持部１２ａよりも大径に形成されて力覚センサ用チップ２を覆う円筒状のケース部１２ｂと、を備えている。保持部１２ａは、本体部Ｒ４ａの先端側の内壁に固定されている。ケース部１２ｂには、肉抜き用の長孔１２ｃが周方向に沿って複数形成されている。

連結ロッド１６は、図２（ａ）に示すように、円柱状の部材であり、一端側を保持部１２ａに接合部１８を介して保持され、他端側を力覚センサ用チップ２の作用部２１（図３参照）に絶縁性を有する接合部１９を介して接続されている。

次に、力覚センサ用チップ２の構成について、図３および図４を参照しながら詳細に説明する。図３は、配線を除外して示した力覚センサの平面図である。図４は、配線を含む力覚センサの平面図である。
力覚センサ用チップ２は、６軸力センサチップであり、図３に示すように、平面視で略正方形のベース部材２０上に構成されている。そして、当該ベース部材２０は、図３に示すように、外力Ｆ（図２、符号Ｆ１，Ｆ２参照）が伝達される作用部２１と、連結部２３を介して作用部２１を支持する支持部２２と、作用部２１と支持部２２とを連結する連結部２３と、を備えている。

また、ベース部材２０上の所定位置には、図３に示すように、外力Ｆの大きさや方向を検出する歪検出用抵抗素子Ｓと、歪検出用抵抗素子Ｓの温度補償を行うための素子である温度補償用抵抗素子２７と、が配置されている。歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２７は、図４に示すように、配線２８を介して信号電極パッド２５およびＧＮＤ電極パッド２６と接続されている。

ベース部材２０は、力覚センサ用チップ２の土台となる部材である。ベース部材２０は、図３に示すように、作用部２１と、支持部２２と、連結部２３と、を有している。また、ベース部材２０には、図３に示すように、貫通孔Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎが形成されている。ベース部材２０は、例えば、シリコン等の半導体基板で構成することができる。
ベース部材２０の外周縁には、各辺に沿って所要の幅にてほぼ正方形リング状のＧＮＤ（接地(GROUND)）配線２９が形成されている。このＧＮＤ配線２９には、後記するＧＮＤ電極パッド２６が接続されている。なお、正方形リング状のＧＮＤ配線２９は一例であり、一定電位にするものであれば、どのようなものでもよい。

作用部２１は、外力Ｆが印加される領域である。作用部２１は、図３に示すように、力覚センサ用チップ２の中央部に形成されている。また作用部２１は、前記したように、絶縁性を有する接合部１９を介して減衰機構１２の連結ロッド１６と接合されている（図２（ａ）参照）。

支持部２２は、連結部２３を介して作用部２１を支持する領域である。支持部２２は、図３に示すように、力覚センサ用チップ２の周縁部に形成され、四角枠状をなしている。また支持部２２は、前記したように、その全部または一部がガラス台座１３及び接合層１４を介して台座１１のセンサチップ支持部１１ａと接合されている（図２（ａ）参照）。なお、支持部２２の形状は、作用部２１を支持できる形状であれば四角枠状に限られず、例えば円形枠状とすることもできる。

連結部２３は、作用部２１と支持部２２とを連結する領域である。連結部２３は、図３に示すように、作用部２１と支持部２２の間に形成されている。また、連結部２３には、後記するように、細長いスリット状の貫通孔Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎが所定の箇所に形成されている。

連結部２３は、図３に示すように、弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１と、橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２と、からなるＴ字梁状の領域２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄをそれぞれ備えている。弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１は、図３に示すように、長さ方向における両端部が支持部２２の内周と接続され、中心部がそれぞれに対応する橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２の一方の端部と接続されている。また、橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２は、図３に示すように、長さ方向における一方の端部がそれぞれに対応する弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１と接続され、他方の端部が作用部２１と接続されている。

Ｔ字梁状の領域２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、図３に示すように、作用部２１の中心に対して４回対称となるように、力覚センサ用チップ２の四辺に対応して形成することが好ましい。このように、作用部２１を中心として４回対称となるようにＴ字梁状の領域２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを形成することで、支持部２２が４方向からバランス良く作用部２１を支持することができる。

このように、Ｔ字梁状の領域２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを剛性の低い領域と剛性の高い領域とに分けて形成することで、作用部２１に外力Ｆが印加された際に、弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１が、橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２にかかる余分な歪みを吸収し、一方向への力またはモーメントの印加による力覚センサ用チップ２全体の歪みの発生を抑制することができる。従って、特定の方向の力またはモーメントに対応する歪検出用抵抗素子Ｓに選択的に歪みを発生させることができ、他軸干渉を大幅に抑制することができる。

なお、他軸干渉とは、単一成分の力の入力があった際に、その他の成分の力の入力が「０」であるにも関わらず、ノイズ等の外乱によって測定結果が「０」とならない現象、すなわち、力またはモーメントの測定値が他軸の力またはモーメントによって変動する現象のことを指している。

貫通孔（第１貫通孔）Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊは、図３に示すように、ベース部材２０の厚さ方向に貫通して形成された略直線状のスリット孔である。貫通孔Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊは、前記した作用部２１と支持部２２と連結部２３とを機能的に分離する役割を果たしている。力覚センサ用チップ２は、このような貫通孔Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊを有することにより、作用部２１に印加された外力Ｆを支持部２２等に分散させずに、後記する歪検出用抵抗素子Ｓに集中させることができ、作用部２１に印加された外力Ｆをより正確に検出することができる。

貫通孔（第２貫通孔）Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎは、図３に示すように、ベース部材２０の厚さ方向に貫通して形成された鉤状のスリット孔である。貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎは、前記した剛性の低い領域とした弾性部２３ａ１，２３ｂ１，２３ｃ１，２３ｄ１と、剛性の高い領域とした橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２と、を機能的に分離する役割を果たしている。力覚センサ用チップ２は、このような貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎを有することにより、作用部２１に印加された外力Ｆを支持部２２等に分散させずに、後記する歪検出用抵抗素子Ｓに集中させることができ、作用部２１に印加された外力Ｆをより正確に検出することができる。

歪検出用抵抗素子Ｓは、力覚センサ用チップ２において、外力Ｆの大きさや方向を検出するための素子である。歪検出用抵抗素子Ｓは、変形に比例して抵抗値が変化する物質で構成されており、外力Ｆの印加による歪みを抵抗値の変化として検出する。歪検出用抵抗素子Ｓは、例えば、半導体製造工程においてベース部材２０にボロン等の不純物をイオン注入することで形成することができる。歪検出用抵抗素子Ｓは、圧縮による歪みが発生した場合に抵抗値が減少し、引っ張りによる歪みが発生した場合に抵抗値が増加する。

歪検出用抵抗素子Ｓは、図３に示すように、ベース部材２０上に形成されるとともに、作用部２１と連結部２３との接続部分にあたる変形発生部に複数形成されている。ここで変形発生部とは、図３に示すように、作用部２１に印加される外力Ｆによる歪みが最も発生する作用部２１と橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２との接続部分近傍のことを指している。歪検出用抵抗素子Ｓは、図３に示すように、橋梁部２３ａ２，２３ｂ２，２３ｃ２，２３ｄ２の長軸方向に対して各々が平行となるように形成されている。
歪検出用抵抗素子Ｓは、図４に示すように、配線２８を介して信号電極パッド２５およびＧＮＤ電極パッド２６と接続されている。

信号電極パッド２５およびＧＮＤ電極パッド２６は、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２７に対して所定周波数の電圧信号を印加するための電極パッドである。信号電極パッド２５およびＧＮＤ電極パッド２６は、図４に示すように、配線２８を介して、それぞれの歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２７と接続されている。
また、信号電極パッド２５は、後記する信号入力部９（図５参照）と接続されている。

温度補償用抵抗素子２７は、歪検出用抵抗素子Ｓの温度補償を行うための素子である。温度補償用抵抗素子２７は、環境温度の変化によって抵抗値が変化する物質で構成されており、環境温度の変化を抵抗値の変化として検出する。温度補償用抵抗素子２７は、例えば、半導体製造工程においてベース部材２０にボロン等の不純物をイオン注入することで形成することができる。

温度補償用抵抗素子２７は、歪検出用抵抗素子Ｓと温度条件が同じ素子で構成されている。また、温度補償用抵抗素子２７は、図３に示すように、ベース部材２０上に形成されるとともに、ベース部材２０上の１２個の歪検出用抵抗素子Ｓと対応させて、歪検出用抵抗素子Ｓの近傍である所定の位置に１２個配置されている。

温度補償用抵抗素子２７は、図３に示すように、印加される外力Ｆによる歪みの影響を受けない場所に配置されている。すなわち、温度補償用抵抗素子２７のそれぞれは、図３に示すように、対応する歪検出用抵抗素子Ｓの近傍であって、自由端となっている貫通孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎの内側周縁部の近くに配置されている。力覚センサ用チップ２は、このように外力Ｆの影響を受けない場所に温度補償用抵抗素子２７を配置することで、チップ周辺の環境温度のみを検出することができる。
温度補償用抵抗素子２７は、図４に示すように、配線２８を介して信号電極パッド２５およびＧＮＤ電極パッド２６と接続されている。

配線２８は、図４に示すように、歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２７と、信号電極パッド２５とＧＮＤ電極パッド２６と、を接続するための配線である。配線２８は、歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２７とが後記するようなブリッジ回路を形成できるように、ベース部材２０上で両者を接続している。

次に、力覚センサ用チップ２における歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２７の電気接続関係について、図５を参照しながら簡単に説明する。図５は、歪検出用抵抗素子と温度補償用抵抗素子の電気接続関係を示す回路図である。
歪検出用抵抗素子Ｓと温度補償用抵抗素子２７は、図５に示すように、力覚センサ用チップ２の内部において、フルブリッジ回路ＦＢの下半分に対応するハーフブリッジ回路ＨＢを構成している。

歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２７の一端側（本図上の下側）は、図５に示すように、配線２８を介して相互に連結されるとともに、グラウンド電位ＧＮＤ（ＧＮＤ配線２９）に接続されている。また、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２７の他端側（本図上の上側）は、それぞれ信号電極パッド２５と接続されている。そして、信号電極パッド２５の他端側（図５の上側）は、力覚センサ用チップ２の外部に設けられた外付抵抗３１，３２とそれぞれ接続された後に相互に連結され、同じくセンサ外部に設けられた信号入力部９に接続されている。
信号入力部９は、例えば交流電源で構成されており、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２７に、所定電圧の初期信号を所定周波数Ａで入力する機能を有している。

このように構成したフルブリッジ回路ＦＢにおいて、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２７の他端側（外付抵抗３１，３２側）は、図５に示すように、後記するフィルタ部５１と接続され、歪検出用抵抗素子Ｓおよび温度補償用抵抗素子２７によって検出されるそれぞれの出力信号の差（Ｖｓ−Ｖｍ）が、センサの出力信号Ｖｓ’となる。

ここで、本実施形態におけるセンサ出力信号Ｖｓは、外力Ｆの変化に応じて歪検出用抵抗素子Ｓに生じた歪に対応した抵抗値の変化を、電圧値の変化として取り出した信号のことを指している。センサ出力信号Ｖｓは、信号入力部９によって入力される初期信号の周波数成分と、接触部Ｒ４に対して部品Ｐが滑ることによって接触部Ｒ４（より詳しくは力覚センサ１）に入力した摩擦力Ｆ２の周波数成分と、を有している。

また、温度補償出力信号Ｖｍとは、環境温度の変化に比例して温度補償用抵抗素子２７に生じた歪に対応した抵抗値の変化を、電圧値の変化として取り出した信号のことを指している。温度補償出力信号Ｖｍは、信号入力部９によって入力される初期信号の周波数成分を有している。
なお、温度補償用抵抗素子２７は、前記したように、環境温度によってのみ抵抗値が変化する位置に配置されているため、温度補償出力信号Ｖｍは、外力Ｆの影響を受けていない純粋な環境温度を示す値となる。そして、この温度補償出力信号Ｖｍは、環境温度の影響が含まれるセンサ出力信号Ｖｓを、環境温度の影響が含まれないセンサ出力信号Ｖｓ’へと温度補償するための手段として用いられる。

力覚センサ用チップ２は、回路全体としてフルブリッジ回路ＦＢに構成することで、歪検出用抵抗素子Ｓの抵抗値の変化から、環境温度の変化による抵抗値の変化をより適切にキャンセルし、歪検出用抵抗素子Ｓにおける外力Ｆによる抵抗値の変化のみを適切に取り出すことができる。従って、作用部２１に印加された外力Ｆをより正確に検出することができる。

なお、本実施形態では、力覚センサ用チップ２の外部に外付抵抗３１，３２を設ける構成としたが、外付抵抗３１，３２を力覚センサ用チップ２の内部に設けて、力覚センサ用チップ２の内部にフルブリッジ回路ＦＢを構成してもよい。

次に、図６（ａ），（ｂ）を参照して、センサ出力信号Ｖｓおよび温度補償出力信号Ｖｍの処理回路の構成について説明する。
図６の（ａ）は、センサ出力信号の処理回路を示すブロック図であり、（ｂ）は、演算部のブロック図である。
図６に示すように、センサ出力信号Ｖｓおよび温度補償出力信号Ｖｍの処理回路は、フィルタ部５１と、バッファ部５２と、Ａ／Ｄ変換部５３と、演算部６０と、出力部５４と、を備えている。

フィルタ部５１は、センサ出力信号Ｖｓおよび温度補償出力信号Ｖｍに含まれる不要な周波数成分（ノイズ）を取り除くものである。フィルタ部５１は、例えば、ローパスフィルタであり、図示は省略するが、入力信号に並列するコンデンサと入力信号に直列する抵抗器とによって実現することができる。
バッファ部５２は、センサ出力信号Ｖｓおよび温度補償出力信号Ｖｍの電圧波形を増幅する増幅器である。
Ａ／Ｄ変換部５３は、連続量であるアナログ信号を、離散化されたデジタル信号に変換するものである。Ａ／Ｄ変換部５３は、例えば公知のＡ／Ｄコンバータで構成されている。
これにより、センサ出力信号Ｖｓおよび温度補償出力信号Ｖｍは、フィルタ部５１においてノイズがカットされ、バッファ部５２において増幅され、Ａ／Ｄ変換部５３においてアナログ信号からデジタル信号に変換されて、温度補償されたセンサ出力信号Ｖｓ’となって演算部６０に出力されることとなる。

演算部６０は、センサ出力信号Ｖｓ’に対して周波数解析を行うとともに、接触部Ｒ４に対して部品Ｐが滑っているか否かを判定する機能を有している。演算部６０は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ，Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶装置と、記憶装置に格納された機能プログラムと、で構成されている。
演算部６０は、図６（ｂ）に示すように、機能ブロックとして、出力値記憶部６１と、周波数解析部６２と、滑り覚判定部６３と、基準値記憶部６４と、を備えている。

出力値記憶部６１は、Ａ／Ｄ変換部５３でデジタル信号に変換されたセンサ出力信号Ｖｓ’を時間ｔ（図７（ａ）参照）に関連付けて時系列的に記憶するものである。

周波数解析部６２は、出力値記憶部６１に記憶保持されたセンサ出力信号Ｖｓ’のデータを所定時間単位で読み出して周波数分析してスペクトル分布を求めるものである。周波数解析の手法としては、例えば、ＦＦＴ（高速フーリエ変換：Fast Fourier Transform）やＭＥＭ（最大エントロピー法：Maximum Entropy Method）を用いることができる。
周波数解析部６２は、検出した周波数成分とその強度とを、滑り覚判定部６３に出力する。

ここで、センサ出力信号Ｖｓ’に含まれる周波数成分について、図７を参照して説明する。図７の（ａ）は、センサ出力信号の波形を模式的に示すグラフであり、（ｂ）は、時間ｔ１から時間ｔ２におけるセンサ出力信号を周波数解析したスペクトル分布図である。
図７（ａ）に示すように、初期状態では、力覚センサ用チップ２の歪検出用抵抗素子Ｓには、信号入力部９によって、所定周波数Ａの初期信号が入力されている。ここで、説明の便宜のため、信号入力部９による初期信号をｆ（ｔ）＝ｓｉｎＡｔと仮定する。
把持部Ｒ３（図２参照）が部品Ｐを一定の力で把持している場合、接触部Ｒ４が受ける反力Ｆ１は一定であるので、初期信号ｆ（ｔ）の振幅も一定である。

時間ｔ１から時間ｔ２において、部品Ｐが滑った場合、接触部Ｒ４に摩擦力Ｆ２が作用する（図２参照）。摩擦力Ｆ２が周波数Ｂの周期性を持った入力である場合、摩擦力Ｆ２は、周波数Ｂの振動として力覚センサ用チップ２の作用部２１に入力し、これに応じて歪検出用抵抗素子Ｓの抵抗値が変化する。
説明の便宜のため、摩擦力Ｆ２による入力をｇ（ｔ）＝ｓｉｎＢｔと仮定すると、時間ｔ１から時間ｔ２におけるセンサ出力信号Ｖｓ’は、下式のようになる。
ｆ（ｔ）＋ｇ（ｔ）＝ｓｉｎＡｔ＋ｓｉｎＢｔ
＝２ｓｉｎ（Ａ／２＋Ｂ／２）ｃｏｓ（Ａ／２−Ｂ／２）

したがって、時間ｔ１から時間ｔ２にかけて得られたセンサ出力信号Ｖｓ’を、周波数解析部６２によって周波数解析することにより、図７（ｂ）に示すように、周波数成分Ａ、周波数成分Ｂ、周波数成分（Ａ／２＋Ｂ／２）、周波数成分（Ａ／２−Ｂ／２）、の４つの周波数成分とそれぞれの強度が検出されることになる。
なお、図７（ｂ）に示す周波数成分は一例であり、本発明はこれに限定されないことはいうまでもない。

滑り覚判定部６３は、周波数解析部６２で検出した周波数成分とその強度に基づいて、接触部Ｒ４と部品Ｐとの間に滑りが生じたか否かを判定するものである。滑り覚判定部６３は、後記する基準値記憶部６４からデータを読み出し可能に構成されているとともに、後記する出力部５４に判定結果を出力可能に構成されている。
滑り覚判定部６３における具体的な判定手法は、図８を参照して後に詳しく説明する。

基準値記憶部６４は、初期信号の周波数成分Ａの値と、周波数成分の強度に関して予め設定された閾値と、を記憶するものである。閾値は、滑り覚の検出精度を確認する事前実験などを行うことにより、予め求めることができる。

出力部５４は、図６（ａ）に示すように、滑り覚判定部６３の判定結果に基づいて、所定の動作に関する命令信号を出力するものである。出力部５４は、例えば、演算部６０と共通の中央演算処理装置や記憶装置や機能プログラムなどで構成されている。
本実施形態では、出力部５４は、例えば、滑り覚判定部６３において、接触部Ｒ４と部品Ｐとの間に滑りが生じていると判定された場合に、把持部Ｒ３の把持力を増加させる命令信号を、自動作業装置Ｒの制御部Ｒ６に出力するように設定されている。
なお、出力部５４の設定は、これに限られるものではなく、警告灯（図示省略）を点灯させたり、部品Ｐを作業台Ｄに戻したりするように設定してもよい。

次に、本実施形態に係る滑り覚検知装置の動作について、図１乃至図８（特に図８）を参照して説明する。図８は、滑り覚検知装置の動作フロー図である。

例えば、図１に示すように、自動作業装置Ｒの動作が開始されると、力覚センサ１に備えられた歪検出用抵抗素子Ｓに、信号入力部９（図５参照）から所定電圧の初期信号が所定周波数で入力される（ステップＳ１）。
このとき、自動作業装置Ｒの接触部Ｒ４には、部品Ｐを把持する力の反力Ｆ１が作用しており、この反力Ｆ１が、力覚センサ１によって検知される。なお、力覚センサ１による反力Ｆ１の検知については、例えば特開２００６−１２５８７３に詳細に記載されているので、その説明を省略する。

一方、この部品Ｐが接触部Ｒ４に対して滑った場合には、図８に破線で示すように、部品Ｐの滑りによる振動が、摩擦力Ｆ２（図２参照）として力覚センサ１に入力する（ステップＳ２）。
部品Ｐの滑りによる振動が、初期信号の周波数成分Ａと異なる周期性を有する場合には、歪検出用抵抗素子Ｓから出力されるセンサ出力信号Ｖｓに、初期信号の周波数成分Ａと異なる周波数成分が含まれることになる。

次に、センサ出力信号Ｖｓおよび温度補償出力信号Ｖｍは、図６（ａ）に示すように、フィルタ部５１においてノイズがカットされ、バッファ部５２において増幅され、Ａ／Ｄ変換部５３においてアナログ信号からデジタル信号に変換されて、温度補償されたセンサ出力信号Ｖｓ’となって演算部６０に出力される（ステップＳ３）。

そして、周波数解析部６２は、演算部６０に入力したセンサ出力信号Ｖｓ’に対して周波数解析を行い、図７（ｂ）に示すようなスペクトル分布を求める（ステップＳ４）。

次に、滑り覚判定部６３は、センサ出力信号Ｖｓ’に、初期信号の周波数成分Ａと異なる周波数成分が含まれているか否かを判定する（ステップＳ５）。
具体的には、例えば、周波数解析部６２から入力された各周波数成分と、基準値記憶部６４から読み出した初期信号の周波数成分Ａとの差分を順次算出する。そして、滑り覚判定部６３は、すべての差分が０である場合は、初期信号の周波数成分Ａ以外の周波数成分が含まれていないと判定し（ステップＳ５，Ｎｏ）、接触部Ｒ４と部品Ｐとの間に滑りが生じていないと判定する（ステップＳ８）。

一方、滑り覚判定部６３は、周波数解析部６２から入力された各周波数成分の中に、初期信号の周波数成分Ａとの差分が０にならない周波数成分が存在する場合（ステップＳ５，Ｙｅｓ）は、次に、当該周波数成分の強度と、予め設定された閾値と、を比較する（ステップＳ６）。

そして、滑り覚判定部６３は、初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が、予め設定された閾値以下である場合（ステップＳ６，Ｎｏ）には、接触部Ｒ４と部品Ｐとの間に滑りが生じていないと判定する（ステップＳ８）。
なお、初期信号の周波数成分と異なる周波数成分が複数ある場合は、すべての周波数成分の強度が予め設定された閾値以下となる場合に、接触部Ｒ４と部品Ｐとの間に滑りが生じていないと判定するのが好ましい。

一方、滑り覚判定部６３は、初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が、予め設定された閾値を超える場合（ステップＳ６，Ｙｅｓ）には、接触部Ｒ４と部品Ｐとの間に滑りが生じたと判定する（ステップＳ７）。
なお、初期信号の周波数成分と異なる周波数成分が複数ある場合は、そのうちの少なくともいずれか一つの周波数成分の強度が予め設定された閾値を超える場合に、接触部Ｒ４と部品Ｐとの間に滑りが生じたと判定するのが好ましい。

そして、滑り覚判定部６３において接触部Ｒ４と部品Ｐとの間に滑りが生じていると判定された場合に、出力部５４は、把持部Ｒ３の把持力を増加させる命令信号を、自動作業装置Ｒの制御部Ｒ６に出力する（ステップＳ９）。

以上のように、本実施形態に係る滑り覚検知装置によれば、歪検出用抵抗素子Ｓからのセンサ出力信号Ｖｓ（Ｖｓ’）を周波数解析し、初期信号の周波数成分Ａと異なる周波数成分の強度が予め設定した所定の閾値を超える場合には、部品Ｐと接触部Ｒ４との間に滑りが生じたと判定することにより、力覚センサ１以外のセンサを設けることなく、部品Ｐと接触部Ｒ４との間に滑りが生じたことを検知することができる。

また、接触部Ｒ４の表面がエラストマーＲ４ｂで被覆されているので、部品Ｐが滑ったときに振動を生じ易い。また、エラストマーＲ４ｂの固有周期は金属などの固有周期に比較して低い（例えば数十Ｈｚ程度）ため、初期信号の周波数を高く（例えば数ｋＨｚ程度）設定することによって、初期信号の周波数成分と滑りによる周波数成分との相違が明確になり、検出精度を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、初期信号の周波数成分Ａと異なる周波数成分の強度が閾値を超えるか否かを判定したが、閾値を０（ゼロ）に設定することにより、実質的に強度の判定を省略して、初期信号の周波数成分Ａと異なる周波数成分を検出した場合に直ちに部品Ｐが滑ったと判定するようにしてもよい。

また、事前実験によって、接触部Ｒ４に入力する摩擦力Ｆ２と、力覚センサ１で検出される初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度との相関関係を、例えば基準値記憶部６４に予め記憶しておき、初期信号の周波数成分と異なる周波数成分を検出した場合に、予め記憶しておいた相関関係を参照して、初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度に基づいて、摩擦力Ｆ２の強度を算出するようにしてもよい。

また、本実施形態では、図２に示すように、接触部Ｒ４の表面にエラストマＲ４ｂを設けたが、本発明はこれに限られるものではなく、エラストマＲ４ｂを省略してもよい。このような場合でも、信号入力部９から入力する初期信号の周波数を調整することにより、摩擦による振動の周波数との差異を明確にすれば、周波数解析部６２において、部品Ｐの滑りによる周波数成分を好適に検出することができる。

また、本実施形態では、図１に示すように、工場における自動作業装置Ｒを例にとって説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば人型ロボット等の多数の指（例えば五指）を備える把持部（図示省略）に適用してもよいことはいうまでもない。

Ｒ 自動作業装置
Ｒ４ 接触部
Ｒ４ａ 本体部
Ｒ４ｂ エラストマー
１ 力覚センサ
２ 力覚センサ用チップ
Ｓ 歪検出用抵抗素子
６０ 演算部
６１ 出力値記憶部
６２ 周波数解析部
６３ 滑り覚判定部
６４ 基準値記憶部

Claims (3)

1. 対象物と前記対象物に接触する接触部との間に生じた滑りを検知する滑り覚検知装置であって、
   歪検出用抵抗素子を用いて前記接触部に印加された外力を検出する力覚センサと、
   前記歪検出用抵抗素子に所定周波数の初期信号を入力する信号入力部と、
   前記歪検出用抵抗素子からの出力信号を周波数解析する周波数解析部と、
   前記周波数解析部において検出された周波数成分のうち、前記初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が閾値を超える場合は、前記対象物と前記接触部との間に滑りが生じたと判定し、前記初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が前記閾値以下である場合は、前記対象物と前記接触部との間に滑りが生じていないと判定する滑り覚判定部と、
   を備えることを特徴とする滑り覚検知装置。
2. 前記接触部の表面はエラストマーで被覆されており、前記初期信号の周波数は、前記エラストマーの固有周期よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の滑り覚検知装置。
3. 対象物と前記対象物に接触する接触部との間に生じた滑りを検知する滑り覚検知方法であって、
   前記接触部に印加された外力を検出する力覚センサに設けられた歪検出用抵抗素子に所定周波数の初期信号を入力する初期信号入力ステップと、
   前記歪検出用抵抗素子からの出力信号を周波数解析する周波数解析ステップと、
   前記周波数解析部において検出された周波数成分のうち、前記初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が閾値を超える場合は、前記対象物と前記接触部との間に滑りが生じたと判定し、前記初期信号の周波数成分と異なる周波数成分の強度が前記閾値以下である場合は、前記対象物と前記接触部との間に滑りが生じていないと判定する滑り判定ステップと、
   を備えることを特徴とする滑り覚検知方法。

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