JP5544352B2 - 触覚センサユニット、当該触覚センサユニットを備えたロボット、及び荷重算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、印加荷重を検出する触覚センサユニット、当該触覚センサユニットを備えたロボット、及び荷重算出方法に関する。

高齢化社会の進展に伴い、人間に代わって介護を行う介護ロボットのニーズが高まっている。このような介護ロボットには、人間に危害を及ぼさないよう人間の皮膚に劣らない触覚が要求され、介護ロボットの手に設けられるセンサは圧感と同時にすべり感覚を検知する必要がある。

従来より、荷重を検知する触覚センサとして、ピエゾ抵抗型の素子が用いられている。例えば、特許文献１には、基板に固定された片持ち梁構造体を柔軟なエラストマーで覆い、片持ち梁構造体の変形具合からエラストマーにかかる荷重を検知する技術が開示されている。この技術では、片持ち梁構造体の根元部に備えたピエゾ抵抗素子により、当該根元部の歪みを計測することによって、エラストマーに印加された荷重を検知している。

しかしながら、この技術では、ピエゾ抵抗型素子が単純に片持ち梁構造体にかかる応力を静的に検知するだけなので、一本の片持ち梁構造体だけでは、荷重の大きさは検知できるが、荷重の印加方向を正確に検知することはできない。そこで、特許文献１および非特許文献１では、片持ち梁構造体を複数本組み合わせることにより、異なる方向の荷重を検知可能な技術が提案されている。

図７（ａ）は、非特許文献１に開示のカンチレバー型触覚センサユニット１０１の構成を示す斜視図であり、図７（ｂ）は、カンチレバー型触覚センサユニット１０１の構成を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、カンチレバー型触覚センサユニット１０１は、基板１０４上に４本の片持ち梁構造体１０２を形成し、エラストマー１０３で覆う構成である。４本の片持ち梁構造体１０２のうち、向かい合わせに位置する２つの片持ち梁構造体１０２は、互いに向かい合っている。図７（ｂ）に示すように、片持ち梁構造体１０２は、Ｓｉ層１０２ａとポリマー層１０２ｂとをポリマー層１０２ｂ側に湾曲させることによって形成されている。

図８（ａ）は、エラストマー１０３に垂直荷重を印加した状態を示す断面図であり、図８（ｂ）は、エラストマー１０３に剪断荷重を印加した状態を示す断面図である。図８（ａ）に示すように、エラストマー１０３に垂直荷重を加えた場合、２つの片持ち梁構造体１０２は、どちらもＳｉ層１０２ａが基板１０４側に近づく方向に変形する。一方、図８（ｂ）に示すように、エラストマー１０３に右方向への剪断荷重を加えた場合は、左側の片持ち梁構造体１０２は、Ｓｉ層１０２ａが基板１０４側に近づく方向に変形するのに対し、右側の片持ち梁構造体１０２は、Ｓｉ層１０２ａが基板１０４から離れる方向に変形する。片持ち梁構造体１０２は、変形に応じてその抵抗が変化するので、変形時の片持ち梁構造体１０２の各々の抵抗変化に基づいて、エラストマー１０３にかかる垂直方向の荷重成分と剪断方向の荷重成分とを分離して検知することができる。

特開２００６−２０１０６１号公報（２００６年８月３日公開）

Yu Ming Huang et. al.，"Fabrication and Normal/Shear Stress Responses of TactileSensors of Polymer/Si Cantilevers Embedded in PDMS and Urethane GelElastomers"，電学論Ｅ，１２８巻５号，２００８年，１９３−１９７頁

介護ロボット等に設けられる触覚センサの感度を高めるためには、触覚センサの片持ち梁構造体を高密度に設ける必要がある。しかしながら、上述のような従来技術では、垂直方向の荷重成分と剪断方向の荷重成分とを検知するために、複数の片持ち梁構造体を必要とする。このため、触覚センサを高密度に設けても、触覚センサの高性能化が困難であるという問題を生じる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、高性能化が容易な触覚センサユニットを実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る触覚センサユニットは、基板と、前記基板の上に形成された被膜と、一端が前記基板に固定され、当該一端から他端に向かって前記基板から離れる方向に反り上がった片持ち梁構造体とを備え、前記被膜に加えられた荷重を検出する触覚センサユニットであって、前記片持ち梁構造体は、第１の共振モードにおける周波数である第１の共振周波数、及び前記第１の共振モードとは異なる第２の共振モードにおける周波数であって、前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数で共振可能であり、前記第１の共振周波数の荷重変化に対応した変化率と前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分を算出する演算部を備え、前記演算部は、前記片持ち梁構造体に含まれる圧電体層に異なる周波数の交流電圧を印加して、前記第１の共振モードおよび前記第２の共振モードで前記片持ち梁構造体を共振させる電圧印加手段と、前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数とを検出する共振周波数検出手段と、前記被膜に荷重が加えられていない時を無荷重時として、前記第１の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率である無荷重時に対する第１の変化率と、前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率である無荷重時に対する第２の変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分である前記被膜に対する垂直方向の成分と剪断方向の成分とを算出する荷重算出手段とを備える。

上記構成の触覚センサユニットによれば、従来技術と異なり、単一の片持ち梁構造体で複数方向の荷重成分を分離して検知することができる。従って、圧感と同時にすべり感覚の検知が容易な触覚センサユニットを実現できるという効果を奏する。
更に上記構成の触覚センサユニットによれば、電圧印加手段が、圧電体層に異なる周波数の交流電圧を印加して、共振周波数検出手段が、片持ち梁構造体の第１の共振モードにおける第１の共振周波数と、第２の共振モードにおける第２の共振周波数とを検出する。被膜に加えられた垂直荷重と剪断荷重とは、後述の式（７）に示すように、第１の共振周波数の変化率である無荷重時に対する第１の変化率と第２の共振周波数の変化率である無荷重時に対する第２の変化率とに基づいて算出することができる。これにより、荷重算出手段は、１つの片持ち梁構造体の共振周波数に基づいて、垂直荷重と剪断荷重とを算出することができる。このように、１つの片持ち梁構造体によって複数の荷重方向成分を検知することができるので、片持ち梁構造体を同密度に設けた場合の触覚センサユニットの感度を、従来よりも向上させることができる。したがって、片持ち梁構造体を高密度に配置しやすいので、高性能化が容易な触覚センサユニットを実現できるという効果を奏する。また、同程度の感度の触覚センサユニットを実現するために必要な片持ち梁構造体の数を、従来に比べ減らすことができるので、製造コストを削減できる。

本発明の触覚センサユニットにおいて、前記電圧印加手段は、前記圧電体層に異なる周波数の交流電圧を印加して、第３の共振モードで前記片持ち梁構造体をさらに共振させ、前記共振周波数検出手段は、前記第３の共振モードにおける前記片持ち梁構造体の第３の共振周波数をさらに検出し、
前記荷重算出手段は、前記第３の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率である無荷重時に対する第３の変化率に基づいて、前記荷重の前記被膜に対する垂直方向の成分と２つの剪断方向の成分とを算出し、当該２つの剪断方向の成分は互いに直交することが好ましい。

上記構成の触覚センサユニットによれば、第３の共振モードで前記片持ち梁構造体をさらに共振させ、荷重算出手段は、第３の共振周波数の荷重変化に対応した変化率である無荷重時に対する第３の変化率に基づいて、荷重の被膜に対する垂直方向の成分と２つの剪断方向の成分とを算出する。その結果、第三軸方向に対する荷重を判別でき、第三軸方向に対する荷重検知が可能となる。

本発明の触覚センサユニットにおいて、前記片持ち梁構造体は前記荷重の方向に対し非対称であり、前記片持ち梁構造体には、互いに絶縁された複数の電極が設けられていることが好ましい。

上記構成の触覚センサユニットによれば、片持ち梁構造体は荷重の方向に対し非対称であるため、荷重の向きによる応答の差異を生じせしめる。従って、荷重方向における荷重の正負を区別し得、荷重方向に対する荷重検知が可能となる。さらに、片持ち梁構造体には、互いに絶縁された複数の電極が設けられているため、各方向の振動を効率良く誘起し得る。

本発明に係るロボットは、上記触覚センサユニットを備えたロボットであって、前記基板、被膜および片持ち梁構造体が、前記ロボットの接触対象物との接触部分に設けられていることを特徴としている。

上記構成のロボットによれば、圧覚およびすべり感覚の高いロボットを実現できる。

上記の課題を解決するために、本発明に係る荷重算出方法は、基板と、前記基板の上に形成された被膜と、片持ち梁構造体とを備えた触覚センサユニットにおいて、前記被膜に加えられた荷重を算出する荷重算出方法であって、前記片持ち梁構造体は、その一端が前記基板に固定され、当該一端から他端に向かって前記基板から離れる方向に反り上がっており、第１の共振周波数及び前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数で共振可能であり、前記第１の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率と前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とを算出する変化率算出ステップと、前記第１の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率と前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分を算出する方向成分算出ステップと、前記被膜に加えられた荷重のうち、垂直荷重と剪断荷重との正負により算出領域を複数象現に分けるステップと、前記複数象現の各々の象現内の点のうち、前記垂直荷重と前記剪断荷重との双方の絶対値が最大となる点における荷重誤差を補正する補正ステップとを包含する。

上記構成の荷重算出方法によれば、上述した本発明の触覚センサユニットと同様の作用効果が得られる。すなわち、従来技術と異なり、単一の片持ち梁構造体で複数方向の荷重成分を分離して検知することができる。従って、圧感と同時にすべり感覚の検知が容易な荷重算出方法を実現できるという効果を奏する。
更に上記構成の荷重算出方法によれば、１つの片持ち梁構造体によって複数の荷重方向成分を検知することができるので、片持ち梁構造体を同密度に設けた場合の触覚センサユニットの感度を、従来よりも向上させることができる。
また、上記構成の荷重算出方法によれば、被膜に加えられた荷重のうち、垂直荷重と剪断荷重との正負により算出領域を複数象現に分け、複数象現の各々の象現内の点のうち、垂直荷重と剪断荷重との双方の絶対値が最大となる点における荷重誤差を補正する。その結果、垂直荷重と剪断荷重とによっては変化しない行列Ａに基づいて算出した誤差をコーナー点の荷重データを用いて補正することができ、さらに、算出の参照とする参照荷重のデータを少なくでき、荷重算出方法による結果の信頼性を向上することができる。

本発明の実施形態に係る触覚センサユニットの概略構成を示すブロック図である。 図１に示す触覚センサユニットの部分拡大断面図である。 （ａ）は、１次モードの共振状態を示す図であり、（ｂ）は、２次モードの共振状態を示す図である。 （ａ）は、ｘｙ平面に対して非対称である片持ち梁構造体を示す図であり、（ｂ）は、第１電極構造を有する片持ち梁構造体を示す図であり、（ｃ）は、第２電極構造を有する片持ち梁構造体を示す図であり、（ｄ）は、第３電極構造を有する片持ち梁構造体を示す図である。 （ａ）は、片持ち梁構造体が１次モードで共振している場合における、垂直荷重と共振周波数との関係、および剪断荷重と共振周波数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、片持ち梁構造体が２次モードで共振している場合における、垂直荷重と共振周波数との関係、および剪断荷重と共振周波数との関係を示すグラフである。 （ａ）は、補正処理前の実際の印加荷重と算出結果との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、補正処理後の実際の印加荷重と算出結果との関係を示すグラフである。 （ａ）は、従来のカンチレバー型触覚センサユニットの構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、当該カンチレバー型触覚センサユニットの構成を示す断面図である。 （ａ）は、図７に示すカンチレバー型触覚センサユニットのエラストマーに垂直荷重を印加した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、当該エラストマーに剪断荷重を印加した状態を示す断面図である。

本発明の実施の一形態について図１〜図４に基づいて説明すれば以下のとおりである。

［触覚センサユニット］
図１は、本実施形態に係る触覚センサユニット１の概略構成を示すブロック図である。図２は、触覚センサユニット１の部分拡大断面図である。触覚センサユニット１は、片持ち梁構造体２、エラストマー３、基板４、およびマイコン部５を有している。基板４は、シリコンで形成されており、エラストマー３によって被覆されている。基板４上には、片持ち梁構造体２が複数設けられており、片持ち梁構造体２は、一端が基板４に固定され、当該一端から他端に向かって基板４から離れる方向に反り上がるように形成されている。マイコン部５は、各片持ち梁構造体２に接続されており、電圧印加部５１、共振周波数検出部５２および荷重算出部５３を備えている。マイコン部５は、本発明の演算部を構成する。

片持ち梁構造体２は、ＰＺＴ層２ａ、ＳｉＯ_２層２ｂ、Ａｕ層２ｃおよびＰｔ／Ｔｉ層２ｄから構成されている。ＰＺＴ層２ａは圧電素子であり、Ａｕ層２ｃとＰｔ／Ｔｉ層２ｄとの間に形成される。Ａｕ層２ｃおよびＰｔ／Ｔｉ層２ｄは、ＰＺＴ層２ａに交流電圧を印加する電極として機能する。ＳｉＯ_２層２ｂは、Ｐｔ／Ｔｉ層２ｄと基板４との間に形成されており、基板４をＰｔ／Ｔｉ層２ｄから絶縁している。

本実施形態では、ＰＺＴ層２ａ、ＳｉＯ_２層２ｂおよびＡｕ層２ｃの厚さは、それぞれ１μｍ、３μｍ、５０ｎｍである。また、Ｐｔ／Ｔｉ層２ｄのうち、Ｐｔ層の厚さは２００ｎｍであり、Ｔｉ層の厚さは２０ｎｍである。

Ａｕ層２ｃおよびＰｔ／Ｔｉ層２ｄから、ＰＺＴ層２ａに所定の周波数の交流電圧を印加することにより、片持ち梁構造体２は共振する。ＰＺＴ層２ａに印加される交流電圧の周波数は、図１に示す電圧印加部５１によって制御される。

片持ち梁構造体２の共振モードは、印加される交流電圧の周波数によって決定される。例えば、ＰＺＴ層２ａに５Ｖ、６０ｋＨｚの交流電圧を印加すると、ＰＺＴ層２ａは、１次モードで共振する。１次モードの共振では、図３（ａ）に示すように、共振構造体の全体の振動方向が同一である。

また、ＰＺＴ層２ａに５Ｖ、３００ｋＨｚの交流電圧を印加すると、ＰＺＴ層２ａは、２次モードで共振する。２次モードの共振では、図３（ｂ）に示すように、共振構造体の一部の振動方向が他の部分の振動方向と異なっている。

図４（ａ）は、ｘｙ平面に対して非対称である片持ち梁構造体を示す図であり、図４（ｂ）は、第１電極構造を有する片持ち梁構造体を示す図であり、図４（ｃ）は、第２電極構造を有する片持ち梁構造体を示す図であり、図４（ｄ）は、第３電極構造を有する片持ち梁構造体を示す図である。

図４（ａ）において、片持ち梁構造体２はｘｙ平面に対して非対称構造であり、片持ち梁構造体２の第三軸方向（ｙ軸方向）への突出部分は上向き（ｚ軸方向）に反り上がっている。その結果、第三軸方向（ｙ軸方向）の荷重に基づく３次モードの共振状態に差異が生じる。従って、第三軸方向の荷重を判別でき、第三軸方向の荷重検知が可能となり、第三軸方向（ｙ軸方向）の荷重を効率良く検出し得る。さらに、片持ち梁構造体２はｘ軸方向に進むにつれｚ軸方向にも反り上がっている。その結果、ｘ軸方向とｙ軸方向との荷重を判別でき、ｘ軸方向とｙ軸方向との荷重検知が可能となる。このように、図４（ａ）に示す片持ち梁構造体２は、荷重方向（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各々の方向）に対し非対称であり、３方向の荷重を検知し得る。

図４（ｂ）において、片持ち梁構造体２は第１電極構造を有する。第１電極構造は、Ａｕ層２ｃそのものが電気的に分離されていない電極構造である。図４（ｃ）において、片持ち梁構造体２は第２電極構造を有する。第２電極構造は、Ａｕ層２ｃそのものが第１電極領域２ｃ_１と第２電極領域２ｃ_２とに電気的に分離されている。第１電極領域２ｃ_１はｘ軸方向に伸びている。第２電極領域２ｃ_２はｙ軸方向に伸びた主領域とｘ軸方向に伸びた副領域とを含む。第１電極領域２ｃ_１と第２電極領域２ｃ_２との各々に個別に電界印加することにより、ｘ軸方向とｙ軸方向との各々の方向の振動を独立に取り出し得る。図４（ｄ）において、片持ち梁構造体２は第３電極構造を有する。第３電極構造は、Ａｕ層２ｃそのものが第３電極領域２ｃ_３と第４電極領域２ｃ_４とに電気的に分離されている。第３電極領域２ｃ_３はｘ軸方向に伸びており、第４電極領域２ｃ_４はｘ軸方向に伸びる部分とｙ軸方向に伸びる部分（ｙ軸方向への突出部分）とを有する。第３電極構造を有する片持ち梁構造体２によれば、第３電極領域２ｃ_３と第４電極領域２ｃ_４とに同相の電界を印加することによってｘｚ面内で振動を誘起し得、さらに第３電極領域２ｃ_３と第４電極領域２ｃ_４とに逆相の電界を印加することによりｘ軸方向を軸としたねじれ振動を誘起し、ｙ軸方向への突出部分をｙｚ面内で振動し得る。従って、各方向の振動を効率良く誘起し得る。

本実施形態では、片持ち梁構造体２を形成する圧電体層としてＰＺＴ層（ゾル・ゲル製膜）を用いたが、他の圧電素子を用いてもよい。また、片持ち梁構造体２を形成する電極層としてＡｕ層およびＰｔ／Ｔｉ層を用いたが、圧電体層に電圧を印加できる材料であれば、これに限定されない。

以上より、本発明の触覚センサユニットを説明した。本発明に係る触覚センサユニットは、基板と、前記基板の上に形成された被膜と、一端が前記基板に固定され、当該一端から他端に向かって前記基板から離れる方向に反り上がった片持ち梁構造体とを備え、前記被膜に加えられた荷重を検出する触覚センサユニットであって、前記片持ち梁構造体は、第１の共振周波数及び前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数で共振可能であり、前記第１の共振周波数の荷重変化に対応した変化率と前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分を算出する演算部を備える。
従来技術では、垂直荷重と剪断荷重とを検知するために、２つの片持ち梁構造体を必要としていたが、本発明の実施形態によれば、従来技術と異なり、単一の片持ち梁構造体で複数方向の荷重成分を分離して検知することができる。従って、圧感と同時にすべり感覚の検知が容易な触覚センサユニットを実現できるという効果を奏する。また、本実施形態では、１つの片持ち梁構造体によって、複数の荷重方向成分（垂直荷重方向成分と剪断荷重方向成分）を検知できる。これにより、片持ち梁構造体を同密度に設けた場合の触覚センサユニットの感度を、従来よりも向上させることができる。したがって、片持ち梁構造体を高密度に配置しやすいので、触覚センサユニットの高性能化が容易である。また、同程度の感度の触覚センサユニットを実現するために必要な片持ち梁構造体の数を、従来に比べ減らすことができるので、製造コストを削減できる。
なお、本発明に係る触覚センサユニットは、圧電体層に印加する電圧の周波数を片持ち梁構造体の共振周波数に合わせることにより片持ち梁構造体の共振振動を誘起している。従って、片持ち梁構造体の共振振動が誘起されさえすれば、圧電体層が含まれることに限定されない。例えば、外部から基板やエラストマーに加振することにより片持ち梁構造体の共振を誘起しえる。また、圧電体層に換えて片持ち梁構造体にヒータ部を設けることで熱膨張による振動を誘起し得る。

［荷重算出方法］
ＰＺＴ層２ａの共振周波数は、エラストマー３に加わる荷重に応じて変化する。本実施形態では、図１に示す共振周波数検出部５２が、片持ち梁構造体２の共振周波数を検出し、荷重算出部５３が、検出された共振周波数の変化率に基づいて、エラストマー３に加わる荷重の垂直方向の成分と剪断方向の成分とを算出する。このように、本発明の荷重算出方法は、基板と、前記基板の上に形成された被膜と、圧電体層を含む片持ち梁構造体とを備えた触覚センサユニットにおいて、前記被膜に加えられた荷重を算出する荷重算出方法であって、前記片持ち梁構造体は、その一端が前記基板に固定され、当該一端から他端に向かって前記基板から離れる方向に反り上がっており、第１の共振周波数及び前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数で共振可能であり、前記第１の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率と前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とを算出する変化率算出ステップと、前記第１の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率と前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分を算出する方向成分算出ステップとを包含する。以下では、その算出方法について詳細に説明する。

エラストマーに荷重を加えていない無荷重時の共振周波数ｆ_０を基準周波数とし、荷重印加時の共振周波数をｆ’とする。このときの共振周波数の変化分Δｆ＝ｆ’−ｆ_０とした場合の比Δｆ／ｆ_０を共振周波数変化率ｆｒと定義する。後述のシミュレーションの結果、同じ荷重を印加した場合の共振周波数変化率ｆｒは、１次モードと２次モードとで異なることが分かった。また、同じ荷重を印加した場合において、エラストマー３に垂直荷重を加えた場合と、エラストマー３に剪断荷重を加えた場合とでも、共振周波数変化率ｆｒは異なることが分かった。さらに、シミュレーションの結果、共振周波数変化率ｆｒは、エラストマー３に印加される荷重に略比例することが明らかとなった。

これにより、１次モードにおける共振周波数変化率をｆｒ_１、２次モードにおける共振周波数変化率をｆｒ_２、垂直荷重をＰ_Ｎ、剪断荷重をＰ_Ｔとすると、
ｆｒ_１＝ａ・Ｐ_Ｎ …式（１）
ｆｒ_１＝ｂ・Ｐ_Ｔ …式（２）
ｆｒ_２＝ｃ・Ｐ_Ｎ …式（３）
ｆｒ_２＝ｄ・Ｐ_Ｔ …式（４）
が成り立つ。ここで、係数ａ〜ｄは、単位荷重に対する共振周波数変化率を示している。なお、係数ａ〜ｄの具体的な数値は、後述の実施例において例示する。

また、エラストマー３に垂直荷重と剪断荷重とを重畳して印加した場合の共振周波数変化率は、垂直荷重を印加した場合の共振周波数変化率と剪断荷重を印加した場合の共振周波数変化率との和にほぼ等しいことが、シミュレーションによって示された。したがって、１次モードにおける垂直荷重Ｐ_Ｎと剪断荷重Ｐ_Ｔとを重畳して印加した場合の共振周波数変化率をｆｒ_１（Ｐ_Ｎ，Ｐ_Ｔ）、２次モードにおける垂直荷重Ｐ_Ｎと剪断荷重Ｐ_Ｔとを重畳して印加した場合の共振周波数変化率をｆｒ_２（Ｐ_Ｎ，Ｐ_Ｔ）とすると、
ｆｒ_１（Ｐ_Ｎ，Ｐ_Ｔ）＝ｆｒ_１（Ｐ_Ｎ，０）＋ｆｒ_１（０，Ｐ_Ｔ） …式（５）
ｆｒ_２（Ｐ_Ｎ，Ｐ_Ｔ）＝ｆｒ_２（Ｐ_Ｎ，０）＋ｆｒ_２（０，Ｐ_Ｔ） …式（６）
が近似的に成り立つ。これにより、

と近似できる。ここで、

とすると、

が成り立つ。したがって、式（７）に基づいて、１次モードの共振周波数変化率ｆｒ_１および２次モードの共振周波数変化率ｆｒ_２から、垂直荷重Ｐ_Ｎおよび剪断荷重Ｐ_Ｔを精度よく算出することができる。

以上より、本発明の荷重算出方法を説明した。従来技術では、垂直荷重と剪断荷重とを検知するために、２つの片持ち梁構造体を必要としていたが、本実施形態では、単一の片持ち梁構造体で複数方向の荷重成分を分離して検知することができる。従って、圧感と同時にすべり感覚の検知が容易な荷重算出方法を実現できるという効果を奏する。さらに、本実施形態では、１つの片持ち梁構造体によって、複数の荷重方向成分（垂直荷重方向成分と剪断荷重方向成分）を検知できる。これにより、片持ち梁構造体を同密度に設けた場合の触覚センサユニットの感度を、従来よりも向上させることができる。したがって、片持ち梁構造体を高密度に配置しやすいので、触覚センサユニットの高性能化が容易である。また、同程度の感度の触覚センサユニットを実現するために必要な片持ち梁構造体の数を、従来に比べ減らすことができるので、製造コストを削減できる。

なお、本発明の荷重算出方法において、被膜（エラストマー）への荷重変化に対応する第１の共振周波数の変化率と第２の共振周波数の変化率とを算出し得れば、被膜（エラストマー）に荷重を加えていない無荷重時の共振周波数（共振周波数ｆ_０）を基準周波数とすることに限定されない。所定の荷重時（垂直方向への基準荷重Ｐ_Ｎｂ≠０の時、剪断方向への基準荷重Ｐ_Ｔｂ≠０の時）の共振周波数ｆ_Ｎｂ、共振周波数ｆ_Ｔｂが基準周波数であり得る。即ち、所定の荷重（基準荷重時）には垂直方向への基準荷重Ｐ_Ｎｂと剪断方向への基準荷重Ｐ_Ｔｂとが含まれる。さらに、基準周波数が周波数ｆ_Ｎｂ、周波数ｆ_Ｔｂの場合、（数１）及び（数３）において、Ｐ_ＮはＰ_Ｎ−Ｐ_Ｎｂであり、Ｐ_ＴはＰ_Ｔ−Ｐ_Ｔｂである。即ち、「実共振周波数の基準周波数からの変化」が「実荷重の基準荷重からの変化」に比例する。

また、共振周波数の検出について、共振周波数の変化は、圧電体層のインピーダンスの変化として検知することができる。したがって、本実施形態に係る共振周波数検出部５２は、ＰＺＴ層２ａのインピーダンスから共振周波数を検出してもよい。

［補正処理］
本発明の荷重算出方法によって算出された荷重値を補正する方法を説明する。補正処理では、予め求められた補正値に基づいて荷重の方向成分を補正する。行列A（数２）では軸上４点でのデータを用いて荷重を算出したが、実際には行列Aの値は一定でなく垂直荷重Ｐ_Ｎと剪断荷重Ｐ_Ｔとによって変化すべきである。ただ、算出に用いるデータをもっと細かく取って間を補間すれば算出精度が向上することは間違いないが、算出の参照とする参照荷重のデータは実用上は少ないほど良い。そこで測定荷重範囲フルスケールの８点を算出のために用いる。さらに、垂直荷重Ｐ_Ｎの正負、剪断荷重Ｐ_Ｔの正負により算出領域を４象現に分け、一つの象現内で軸上端点データを用いて線形逆算出を行なう。さらに線形逆算出した結果に対して、象現内で垂直荷重Ｐ_Ｎ、剪断荷重Ｐ_Ｔの絶対値が最大となる点（コーナー点）での誤差を軸からの離れ具合に応じて補正する。以下にフルスケールの８点、即ち軸上４点とコーナー４点のうち、軸上４点を（−ｔ、０）、（０、ｔ）、（ｔ、０）、（０、−ｔ）とし、コーナー４点を（−ｔ、−ｔ）、（−ｔ、ｔ）、（ｔ、ｔ）、（ｔ、−ｔ）とした場合において、補正処理の詳細を説明する。

手順１：第一推定荷重（P_１＝Ａ^−１Ｆ）を算出する。ここで、Ｆは計測された周波数の変化率を示す。第一推定荷重P_１は、荷重の属する象現（（垂直荷重Ｐ_Ｎ、剪断荷重Ｐ_Ｔ）の正負）を決めるためだけに用いる。これにより属する象現が判明すれば、以降はその象現内だけで算出と補正を行なう。
手順２：垂直荷重の第一推定荷重P_１Ｎと剪断荷重の第一推定荷重P_１Ｔの符号をそれぞれＳ_Ｎ（＝−１（P_１Ｎ＜０）、１（P_１Ｎ≧０））、Ｓ_Ｔ（＝−１（P_１Ｔ＜０）、１（P_１Ｔ≧０））とする。Ｓ_Ｎ、Ｓ_Ｔは、４象現いずれの場合をも含めて一般化した記述にするために導入した記号に過ぎない。
手順３：行列Ａ_１を定義する。

行列Ａ_１は、その象現内の軸上端点でのデータを基に構成した線形推定用の行列である。
手順４：コーナー点での算出値ｐ_Ｎ（＝Ａ_１ ^−１（ｆ_ｒ１（ｔＳ_Ｎ，ｔＳ_Ｔ））及びｐ_Ｔ（＝Ａ_１ ^−１（ｆ_ｒ２（ｔＳ_Ｎ，ｔＳ_Ｔ））と算出誤差ｅ_Ｎ（＝ｐ_Ｎ−ｔＳ_Ｎ）及びｅ_Ｔ（＝ｐ_Ｔ−ｔＳ_Ｔ））を求めておく。行列Ａ_１を用いた線形逆推定（手順５）では軸から離れた点で誤差が出ることが分かっているので、手順４でその誤差を予め求めておく。すなわち、「算出値ｐ_Ｎ、ｐ_Ｔには算出誤差ｅ_Ｎ、ｅ_Ｔが含まれている」ということである。
手順５：行列Ａ_１に基づき測定値から線形逆推定を行ない、第二推定荷重（P_２＝Ａ_１ ^−１Ｆ）を算出する。
手順６：コーナー点での算出誤差に基づいて第二推定荷重を求める。ここで、係数ｃはP_２を補正するための係数であり、係数ｃとしては「軸上で０軸から離れるほど大きくなり、軸上最大絶対値点における算出値ｐ_Ｎ及びｐ_Ｔで１」という条件を満たす必要がある。

なお、P_２Ｎは垂直荷重の第二推定荷重を、P_２Ｔは剪断荷重の第二推定荷重を示す。
手順７：補正係数を用いて第二推定荷重の算出誤差を補正し、第三推定荷重P_３を算出する。

第三算出荷重を最終的な荷重算出結果とする。結果的に、フルスケールの８点のデータ、即ち軸上４点（（−ｔ、０）、（０、ｔ）、（ｔ、０）、（０、−ｔ））のデータと、垂直荷重と剪断荷重との双方の絶対値が最大となる点であるコーナー４点（（−ｔ、−ｔ）、（−ｔ、ｔ）、（ｔ、ｔ）、（ｔ、−ｔ））のデータを参照荷重データとして推定することができる。

本発明の補正処理によれば、被膜に加えられた荷重のうち、垂直荷重と剪断荷重との正負により算出領域を複数象現に分け、複数象現の各々の象現内の点のうち、垂直荷重と剪断荷重との双方の絶対値が最大となる点における荷重誤差を補正する。その結果、垂直荷重と剪断荷重とによっては変化しない行列Aに基づいて算出した誤差をコーナー点の荷重データを用いて補正することができ、さらに、算出の参照とする参照荷重のデータを少なくでき、荷重算出方法による結果の信頼性を向上することができる。

［ロボット］
また、本実施形態に係る触覚センサユニット１を、例えば介護ロボットに設けることにより、圧覚およびすべり感覚を高い精度で検知できる介護ロボットを実現できる。この場合、触覚センサユニット１の片持ち梁構造体２、エラストマー３および基板４は、介護ロボットの被介護者と接触する部分に設けられる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

上記の触覚センサユニット１によって、エラストマー３に加えられた垂直荷重と剪断荷重とを個別に算出できることを確認するために、図２に示す触覚センサユニット１を用いてシミュレーションを行った。

図２に示すように、触覚センサユニット１では、片持ち梁構造体２の固定端がエラストマー３の表面から２０００μｍに位置している。片持ち梁構造体２の長さは２００μｍであり、外周が内角９０°の円弧となるように形成されている。ここで、片持ち梁構造体２が１次モード・２次モードの各モードで共振しているときに、エラストマー３に垂直荷重（−９ｋＰａ、−６ｋＰａ、−３ｋＰａ、０ｋＰａ、３ｋＰａ、６ｋＰａ、９ｋＰａ）および剪断荷重（−９ｋＰａ、−６ｋＰａ、−３ｋＰａ、０ｋＰａ、３ｋＰａ、６ｋＰａ、９ｋＰａ）をそれぞれ印加した。このときの共振周波数を表１に示す。

また、表１に示す荷重と共振周波数との関係を図５においてグラフで示す。図５（ａ）は、片持ち梁構造体２が１次モードで共振している場合における、垂直荷重と共振周波数との関係、および剪断荷重と共振周波数との関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は、片持ち梁構造体２が２次モードで共振している場合における、垂直荷重と共振周波数との関係、および剪断荷重と共振周波数との関係を示すグラフである。いずれの場合も、荷重と共振周波数とは略比例していることが分かる。

続いて、エラストマー３に垂直荷重と剪断荷重とを重畳して印加した場合の共振周波数変化率が、垂直荷重を印加した場合の共振周波数変化率と剪断荷重を印加した場合の共振周波数変化率との和にほぼ等しいことを確認するため、垂直荷重および剪断荷重を重畳して印加し、そのときの共振周波数を計測した。この結果を表２に示す。

表２（ａ）は、片持ち梁構造体２が１次モードで共振している場合における、垂直荷重、剪断荷重と共振周波数との関係を示しており、表２（ｂ）は、片持ち梁構造体２が２次モードで共振している場合における、垂直荷重、剪断荷重と共振周波数との関係を示している。例えば、表２（ａ）において、６ｋＰａの垂直荷重Ｐ_Ｎと９ｋＰａの剪断荷重Ｐ_Ｔとを重畳してエラストマー３に印加した場合、共振周波数は５５．５５８ｋＨｚとなる。

また、無荷重時の共振周波数に対する変化分Δｆを表３に示す。

表３（ａ）は、片持ち梁構造体２が１次モードで共振している場合における、垂直荷重・剪断荷重と共振周波数の無荷重時に対する変化分との関係を示しており、表３（ｂ）は、片持ち梁構造体２が２次モードで共振している場合における、垂直荷重・剪断荷重と共振周波数の無荷重時に対する変化分との関係を示している。また、表３（ａ）および（ｂ）において、垂直荷重Ｐ_Ｎ、剪断荷重Ｐ_Ｔのいずれもが、−９ｋＰａ、−６ｋＰａ、−３ｋＰａ、３ｋＰａ、６ｋＰａ及び９ｋＰａである場合に対応する欄では、上段が、実際の計測値（表２）に基づく変化分を示しており、下段が、垂直荷重を印加した場合における変化分と剪断荷重を印加した場合における変化分との和を示している。

表３から明らかなように、垂直荷重と剪断荷重とを重畳して印加したいずれの場合も、上段の数値と下段の数値との差は、０．０００ｋＨｚ〜０．０１４ｋＨｚとごく僅かである。したがって、垂直荷重を印加した場合における変化分と剪断荷重を印加した場合における変化分との和は、垂直荷重と剪断荷重とを重畳して印加した場合における変化分にほぼ等しいことが分かる。したがって、上述した式（５）および式（６）が成り立つ。

続いて、測定された共振周波数に基づき、式（７）から、印加された垂直荷重および剪断荷重の算出を行った。まず、数２の行列Ａを求めるため、（垂直荷重Ｐ_Ｎ、剪断荷重Ｐ_Ｔ）が（９，０）、（−９，０）、（０，−９）および（０，９）の４パターンにおける共振周波数を、１次モード・２次モードの各モードについて計測した。この結果を表４に示す。

これにより、１次モードにおける単位垂直荷重に対する共振周波数変化率ａ、１次モードにおける単位剪断荷重に対する共振周波数変化率ｂ、２次モードにおける単位垂直荷重に対する共振周波数変化率ｃ、２次モードにおける単位剪断荷重に対する共振周波数変化率ｄは、それぞれ式（１）〜（４）を計算することにより、

となる。これにより、数２における行列Ａは、

となる。したがって、行列Ａの逆行列Ａ^−１を求めることにより、式（７）に基づいて、
垂直荷重Ｐ_Ｎと剪断荷重Ｐ_Ｔとを算出することができる。その算出結果を表６に示す。

表６において、最上段の行は、実際に印加された剪断荷重Ｐ_Ｔを示しており、左端の列は、実際に印加された垂直荷重Ｐ_Ｎを示している。また、２つの数値が示されている欄では、上段が垂直荷重の算出値を示しており、下段が剪断荷重の算出値を示している。例えば、６ｋＰａの垂直荷重と３ｋＰａの剪断荷重とを重畳して印加した場合、垂直荷重の算出値は６．０１３ｋＰａであり、剪断荷重の算出値は３．０６９ｋＰａである。

図６（ａ）は、実際の印加荷重と補正処理前の算出結果との関係を示すグラフである。図６（ａ）では、実際の印加荷重は・印でプロットされ、算出された推定荷重が＋印でプロットされている。なお、算出式を求めるために参照した参照荷重は、○印でプロットされている。

図６（ａ）から、補正処理前であっても、実際の印加荷重とそれに対応する推定荷重とは、ほぼ一致していることが分かる。これにより、本実施例では、触覚センサユニット１によって、エラストマー３に加えられた垂直荷重と剪断荷重とを個別に算出できることが確認できた。

表７は、補正処理を行った結果を示す。参照荷重データはｔ＝９、すなわち（垂直荷重Ｐ_Ｎ、剪断荷重Ｐ_Ｔ）＝（−９、−９）、（−９、０）、（−９、９）、（０、９）、（９、９）、（９、０）、（９、−９）、（０、−９）の８点のデータである。

表７において、最上段の行は、実際に印加された剪断荷重Ｐ_Ｔを示しており、左端の列は、実際に印加された垂直荷重Ｐ_Ｎを示している。また、２つの数値が示されている欄では、上段が補正処理後の垂直荷重の算出値を示しており、下段が補正処理後の剪断荷重の算出値を示している。例えば、６ｋＰａの垂直荷重と３ｋＰａの剪断荷重とを重畳して印加した場合、垂直荷重の算出値は５．９７０ｋＰａであり、剪断荷重の算出値は３．１１２ｋＰａである。表６と表７とを比較すると、軸上から離れた点での推定誤差が大きく改善されていることがわかる。補正処理前の算出方法では荷重ベクトルで最大15%以上の誤差が生じていたが、補正処理を適用することで、荷重ベクトルの最大誤差を2.6%程度まで低下させることができた。

図６（ｂ）は、実際の印加荷重と補正処理後の算出結果との関係を示すグラフである。図６（ｂ）では、実際の印加荷重は・印でプロットされ、算出された推定荷重が＋印でプロットされている。なお、算出式を求めるために参照した参照荷重は、○印でプロットされている。

図６（ｂ）から、補正処理によって、実際の印加荷重とそれに対応する算出荷重とは、補正処理前より、さらに精度が向上していることが理解し得る。

本発明は、介護ロボットや産業用ロボットの他、スリップ検知機能付インテリジェントタイヤにも利用することができる。

１ 触覚センサユニット
２ 片持ち梁構造体
２ａ ＰＺＴ層（圧電体層）
２ｃ Ａｕ層（電圧印加手段）
２ｄ Ｐｔ／Ｔｉ層（電圧印加手段）
３ エラストマー（樹脂）
４ 基板
５ 演算部
５１ 電圧印加部（電圧印加手段）
５２ 共振周波数検出部（共振周波数検出手段）
５３ 荷重算出部（荷重算出手段）

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成された被膜と、
   一端が前記基板に固定され、当該一端から他端に向かって前記基板から離れる方向に反り上がった片持ち梁構造体とを備え、
   前記被膜に加えられた荷重を検出する触覚センサユニットであって、
   前記片持ち梁構造体は、第１の共振モードにおける周波数である第１の共振周波数、及び前記第１の共振モードとは異なる第２の共振モードにおける周波数であって、前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数で共振可能であり、
   前記第１の共振周波数の荷重変化に対応した変化率と前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分を算出する演算部を備え、
   前記演算部は、
   前記片持ち梁構造体に含まれる圧電体層に異なる周波数の交流電圧を印加して、前記第１の共振モードおよび前記第２の共振モードで前記片持ち梁構造体を共振させる電圧印加手段と、
   前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数とを検出する共振周波数検出手段と、
   前記被膜に荷重が加えられていない時を無荷重時として、前記第１の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率である無荷重時に対する第１の変化率と、前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率である無荷重時に対する第２の変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分である前記被膜に対する垂直方向の成分と剪断方向の成分とを算出する荷重算出手段とを備えることを特徴とする、触覚センサユニット。
2. 前記電圧印加手段は、前記圧電体層に異なる周波数の交流電圧を印加して、第３の共振モードで前記片持ち梁構造体をさらに共振させ、
   前記共振周波数検出手段は、前記第３の共振モードにおける前記片持ち梁構造体の第３の共振周波数をさらに検出し、
   前記荷重算出手段は、前記第３の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率である無荷重時に対する第３の変化率に基づいて、前記荷重の前記被膜に対する垂直方向の成分と２つの剪断方向の成分とを算出し、当該２つの剪断方向の成分は互いに直交する、請求項１に記載の触覚センサユニット。
3. 前記片持ち梁構造体は前記荷重の方向に対し非対称であり、
   前記片持ち梁構造体には、互いに絶縁された複数の電極が設けられている、請求項１又は２に記載の触覚センサユニット。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の触覚センサユニットを備えたロボットであって、
   前記基板、前記被膜および前記片持ち梁構造体が、前記ロボットの接触対象物との接触部分に設けられていることを特徴とするロボット。
5. 基板と、前記基板の上に形成された被膜と、片持ち梁構造体とを備えた触覚センサユニットにおいて、前記被膜に加えられた荷重を算出する荷重算出方法であって、
   前記片持ち梁構造体は、その一端が前記基板に固定され、当該一端から他端に向かって前記基板から離れる方向に反り上がっており、第１の共振周波数及び前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数で共振可能であり、
   前記第１の共振周波数の荷重変化に対応した変化率と前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とを算出する変化率算出ステップと、
   前記第１の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率と前記第２の共振周波数の前記荷重変化に対応した変化率とに基づいて、前記荷重の方向成分を算出する方向成分算出ステップと、
   前記被膜に加えられた荷重のうち、垂直荷重と剪断荷重との正負により算出領域を複数象現に分けるステップと、
   前記複数象現の各々の象現内の点のうち、前記垂直荷重と前記剪断荷重との双方の絶対値が最大となる点における荷重誤差を補正する補正ステップと
   を包含する荷重算出方法。

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