JP6440187B2 - Tactile sensor and integrated sensor - Google Patents
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Description
本発明は、触覚センサ及び集積化センサに関する。 The present invention relates to a tactile sensor and an integrated sensor.
ロボットハンドが物を掴む場合、ロボットハンドには適切な把持力の調節が求められる。ロボットハンドの把持力が強すぎる場合、物が損傷するおそれがある。また、ロボットハンドの把持力が弱すぎる場合、ロボットハンドから物が滑り落ちてしまう場合がある。また、ロボットハンドにより脆弱な物を掴む場合、ロボットハンドには絶妙な把持力の調節が求められる。このため、ロボットハンドの把持力を調節するための触覚センサが開発されている。 When the robot hand grips an object, the robot hand is required to adjust the gripping force appropriately. If the gripping force of the robot hand is too strong, the object may be damaged. In addition, when the gripping force of the robot hand is too weak, an object may slip off from the robot hand. Further, when a fragile object is gripped by the robot hand, the robot hand is required to adjust the gripping force exquisitely. For this reason, a tactile sensor for adjusting the gripping force of the robot hand has been developed.
弾性変形可能なカンチレバーを備えた触覚センサや、可撓性の梁を備えた触覚センサが知られている。（例えば、特許文献１、２参照。）これらの触覚センサでは、外装材に加えられた力によりカンチレバーや梁を変形させ、センサの感圧面に垂直な方向の力や感圧面に平行な方向の力を検出している。また、これらのセンサでは、ＣＶＤ法などにより基板上に積層体を形成している。
また、Ｓｉ基板の開口部を支持膜で覆いこの支持膜上に２つの圧電体を設置した触覚センサが知られている。（例えば、特許文献３参照。）この検出素子では、圧電体上の弾性膜に加えられた力により支持膜を変形させ、圧電体の電位差を測定することにより加えられた剪断力を検出している。
A tactile sensor including an elastically deformable cantilever and a tactile sensor including a flexible beam are known. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2.) In these tactile sensors, the cantilever and the beam are deformed by the force applied to the exterior material, and the force in the direction perpendicular to the pressure-sensitive surface of the sensor or the direction parallel to the pressure-sensitive surface Detecting force. In these sensors, a laminate is formed on a substrate by a CVD method or the like.
There is also known a tactile sensor in which an opening of a Si substrate is covered with a support film and two piezoelectric bodies are installed on the support film. (For example, refer to Patent Document 3.) With this detection element, the supporting film is deformed by the force applied to the elastic film on the piezoelectric body, and the applied shearing force is detected by measuring the potential difference of the piezoelectric body. Yes.
しかし、従来の触覚センサは感圧面に平行な力に対する感度が十分に高くないという問題がある。また、従来の触覚センサは半導体基板を用いているため、曲面上に設けることが難しい。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、感圧面に平行な力に対する感度が高い触覚センサを提供する。
However, the conventional tactile sensor has a problem that the sensitivity to a force parallel to the pressure-sensitive surface is not sufficiently high. Further, since the conventional tactile sensor uses a semiconductor substrate, it is difficult to provide it on a curved surface.
The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a tactile sensor having high sensitivity to a force parallel to a pressure-sensitive surface.
本発明は、開口を有する中空部が設けられた基材と、前記開口の少なくとも一部を覆うように前記基材上に設けられた可撓部と、前記開口と重なるように前記可撓部上に設けられた突起部と、３つ以上の歪みセンサとを備え、前記可撓部は、対象物が前記突起部に直接的又は間接的に接触することにより前記中空部に向かって撓むように設けられ、３つ以上の歪みセンサは、前記突起部の周りに配置され、かつ、各歪みセンサの少なくとも一部が前記開口と重なるように前記可撓部上又は前記可撓部中に設けられ、前記可撓部が撓むことにより生じる歪みを３つ以上の歪みセンサが検知することを特徴とする触覚センサを提供する。 The present invention provides a base material provided with a hollow part having an opening, a flexible part provided on the base material so as to cover at least a part of the opening, and the flexible part so as to overlap the opening. A projection provided on the substrate, and three or more strain sensors, wherein the flexible portion is bent toward the hollow portion when an object directly or indirectly contacts the projection. The three or more strain sensors are provided around the protrusion, and are provided on the flexible portion or in the flexible portion so that at least a part of each strain sensor overlaps the opening. Provided is a tactile sensor characterized in that three or more strain sensors detect strain caused by bending of the flexible portion.
本発明によれば、開口を有する中空部が設けられた基材と、前記開口の少なくとも一部を覆うように基材上に設けられた可撓部と、前記開口と重なるように可撓部上に設けられた突起部とを備えるため、対象物を突起部に直接的又は間接的に接触させることにより可撓部を中空部に向かって撓ませることができる。また、対象物との接触により外部圧力が上方から突起部にかかった場合突起部を沈み込ませることができ、可撓部を撓ませることができる。また、対象物との接触により外部圧力が斜め上又は側方から突起部にかかった場合や突起部と対象物との間に摩擦力が生じた場合、その外部圧力や摩擦力により突起部を傾斜させることができ、可撓部を撓ませることができる。従って、突起部にかかる力の大きさや方向により異なる形状に可撓部を撓ませることができる。また、斜め上又は側方からの外部圧力又は摩擦力が突起部にかかった場合、突起部を傾斜させることができるため、外部圧力又は摩擦力の大きさや方向を感度よく可撓部の形状に反映させることができる。
本発明によれば、少なくとも一部が中空部の開口と重なるように可撓部上又は可撓部中に設けられた歪みセンサを備えるため、対象物が突起部に接触することにより撓んだ可撓部の歪みを歪みセンサにより検出することができる。
本発明によれば、３つ以上の歪みセンサが突起部の周りに配置されるため、撓んだ可撓部の形状に応じた歪みパターンを検出することができる。可撓部の形状は対象物との接触による突起部にかかった力の大きさや方向を反映しているため、検出された歪みパターンをパターン解析することにより、突起部にかかった力の大きさや方向を算出することができる。また、３つ以上の歪みセンサを備えることにより、突起部にかかった力の大きさや方向を三次元で検出することができる。
According to the present invention, the base material provided with the hollow part having the opening, the flexible part provided on the base material so as to cover at least a part of the opening, and the flexible part so as to overlap the opening. Since the protrusion is provided on the upper portion, the flexible portion can be bent toward the hollow portion by bringing the object into direct or indirect contact with the protrusion. Further, when external pressure is applied to the protrusion from above by contact with the object, the protrusion can be sunk, and the flexible part can be bent. In addition, when external pressure is applied to the protrusion from obliquely or laterally due to contact with the object, or when a friction force is generated between the protrusion and the object, the protrusion is moved by the external pressure or friction force. It can be inclined and the flexible part can be bent. Therefore, the flexible portion can be bent into different shapes depending on the magnitude and direction of the force applied to the protrusion. In addition, when external pressure or frictional force from diagonally above or from the side is applied to the protrusions, the protrusions can be inclined, so the magnitude and direction of the external pressure or frictional force can be changed to the shape of the flexible part with high sensitivity. It can be reflected.
According to the present invention, since the strain sensor is provided on or in the flexible part so that at least a part of the opening overlaps the opening of the hollow part, the object is bent by contacting the protrusion. The distortion of the flexible part can be detected by a strain sensor.
According to the present invention, since three or more strain sensors are arranged around the protrusion, a strain pattern corresponding to the shape of the bent flexible portion can be detected. Since the shape of the flexible portion reflects the magnitude and direction of the force applied to the projection due to contact with the object, pattern analysis of the detected distortion pattern can be used to analyze the magnitude of the force applied to the projection. The direction can be calculated. In addition, by providing three or more strain sensors, the magnitude and direction of the force applied to the protrusion can be detected in three dimensions.
本発明の触覚センサは、開口を有する中空部が設けられた基材と、前記開口の少なくとも一部を覆うように前記基材上に設けられた可撓部と、前記開口と重なるように前記可撓部上に設けられた突起部と、３つ以上の歪みセンサとを備え、前記可撓部は、対象物が前記突起部に直接的又は間接的に接触することにより前記中空部に向かって撓むように設けられ、３つ以上の歪みセンサは、前記突起部の周りに配置され、かつ、各歪みセンサの少なくとも一部が前記開口と重なるように前記可撓部上又は前記可撓部中に設けられ、前記可撓部が撓むことにより生じる歪みを３つ以上の歪みセンサが検知することを特徴とする。 The tactile sensor of the present invention includes a base material provided with a hollow part having an opening, a flexible part provided on the base material so as to cover at least a part of the opening, and the opening so as to overlap the opening. A protrusion provided on the flexible part and three or more strain sensors are provided, and the flexible part faces the hollow part when an object directly or indirectly contacts the protrusion. The three or more strain sensors are arranged around the protrusion, and at least a part of each strain sensor overlaps the opening or in the flexible portion. And three or more strain sensors detect a strain caused by bending of the flexible portion.
本発明の触覚センサにおいて、基材は柔軟性を有することが好ましい。
このような構成によれば、曲面上や柔軟構造上に触覚センサを配置することが可能になる。
本発明の触覚センサにおいて、歪みセンサは、高分子材料中に導電性微粒子及びカーボンナノチューブが混練された感圧抵抗部を有し、感圧抵抗部の電気抵抗値から可撓部の歪みを検出することが好ましい。
このような構成によれば、感圧抵抗部を印刷法により形成することができるため、柔軟性シート上または接触部材の裏面上に感圧抵抗部を容易に設けることができる。
In the tactile sensor of the present invention, the substrate preferably has flexibility.
According to such a configuration, the tactile sensor can be arranged on a curved surface or a flexible structure.
In the tactile sensor of the present invention, the strain sensor has a pressure-sensitive resistor portion in which conductive fine particles and carbon nanotubes are kneaded in a polymer material, and detects strain of the flexible portion from the electric resistance value of the pressure-sensitive resistor portion. It is preferable to do.
According to such a configuration, since the pressure-sensitive resistor portion can be formed by a printing method, the pressure-sensitive resistor portion can be easily provided on the flexible sheet or the back surface of the contact member.
本発明の触覚センサにおいて、中空部、可撓部、突起部及び３つ以上の歪みセンサは、センサ素子を構成し、複数のセンサ素子が二次元に並べられたことが好ましい。
このような構成によれば、対象物を複数のセンサ素子の突起部に接触させることができ、触覚センサにより対象物の大きさを検出することができる。また、触覚センサと対象物との間の局所的な滑り状態や局所的な摩擦力を検出することができる。
また、本発明は、本発明の触覚センサと、前記基材上に設けられた温度センサとを備える集積化センサも提供する。
本発明の集積化センサによれば、対象物により突起部にかかる力と対象物の温度を同時に検出することができる。
In the tactile sensor of the present invention, it is preferable that the hollow portion, the flexible portion, the protrusion, and the three or more strain sensors constitute a sensor element, and a plurality of sensor elements are arranged two-dimensionally.
According to such a configuration, the object can be brought into contact with the protrusions of the plurality of sensor elements, and the size of the object can be detected by the tactile sensor. Moreover, the local slip state and local frictional force between a tactile sensor and a target object can be detected.
The present invention also provides an integrated sensor comprising the tactile sensor of the present invention and a temperature sensor provided on the substrate.
According to the integrated sensor of the present invention, the force applied to the protrusion by the object and the temperature of the object can be detected simultaneously.
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description.
触覚センサ及び集積化センサ
図１は本実施形態の触覚センサの概略上面図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、図１の一点鎖線Ａ−Ａにおける触覚センサの概略断面図であり、図２（ｂ）（ｃ）は突起部に対象物が接触した際の触覚センサの概略断面図である。図３は、複数のセンサ素子を有する本実施形態の触覚センサの概略上面図である。図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本実施形態の触覚センサの概略断面図である。
本実施形態の触覚センサ２０は、開口を有する中空部３が設けられた基材１と、前記開口の少なくとも一部を覆うように基材１上に設けられた可撓部５と、前記開口と重なるように可撓部５上に設けられた突起部７と、３つ以上の歪みセンサ９とを備え、可撓部５は、対象物１３が突起部７に直接的又は間接的に接触することにより中空部３に向かって撓むように設けられ、３つ以上の歪みセンサ９は、突起部７の周りに配置され、かつ、各歪みセンサ９の少なくとも一部が前記開口と重なるように可撓部５上又は可撓部５中に設けられ、可撓部５が撓むことにより生じる歪みを３つ以上の歪みセンサ９が検知することを特徴とする。
以下、本実施形態の触覚センサ２０及び集積化センサについて説明する。
Tactile Sensor and Integrated Sensor FIG. 1 is a schematic top view of a tactile sensor of this embodiment. 2A to 2C are schematic cross-sectional views of the tactile sensor taken along one-dot chain line AA in FIG. 1, and FIGS. 2B and 2C are tactile sensors when the object comes into contact with the protrusion. FIG. FIG. 3 is a schematic top view of the tactile sensor of the present embodiment having a plurality of sensor elements. 4A to 4D are schematic cross-sectional views of the tactile sensor according to the present embodiment, respectively.
The tactile sensor 20 of the present embodiment includes a base material 1 provided with a hollow portion 3 having an opening, a flexible portion 5 provided on the base material 1 so as to cover at least a part of the opening, and the opening. And the projection part 7 provided on the flexible part 5 so as to overlap with the three or more strain sensors 9. The flexible part 5 has the object 13 in direct or indirect contact with the projection part 7. Thus, the three or more strain sensors 9 are arranged around the protrusion 7 and at least a part of each strain sensor 9 can be overlapped with the opening. It is provided on the flexible part 5 or in the flexible part 5 and is characterized in that three or more strain sensors 9 detect distortion caused by the flexible part 5 being bent.
Hereinafter, the tactile sensor 20 and the integrated sensor of this embodiment will be described.
１．触覚センサ
触覚センサ２０は、対象物１３が突起部７に直接的又は間接的に接触した際、突起部７にかかった力の大きさや方向を検知するセンサである。また、触覚センサ２０は、図１〜３のように、中空部３、可撓部５、突起部７、３つ以上の歪みセンサ９を含むセンサ素子１２を含んでもよく、触覚センサ２０は、図３のように複数のセンサ素子１２を含んでもよい。
触覚センサ２０は、例えば、義手、ロボット、電子皮膚、入力装置、異常検出装置、安全装置などに利用することができる。
1. Tactile sensor The tactile sensor 20 is a sensor that detects the magnitude and direction of the force applied to the protrusion 7 when the object 13 directly or indirectly contacts the protrusion 7. The tactile sensor 20 may include a sensor element 12 including a hollow portion 3, a flexible portion 5, a protruding portion 7, and three or more strain sensors 9, as shown in FIGS. A plurality of sensor elements 12 may be included as shown in FIG.
The tactile sensor 20 can be used for, for example, a prosthetic hand, a robot, an electronic skin, an input device, an abnormality detection device, a safety device, and the like.
２．基材、中空部
基材１は、触覚センサ２０の基材である。基材１は、剛性材料からなってもよく、柔軟性材料からなってもよいが、柔軟性材料からなることが好ましい。このことにより、曲面上や柔軟構造上に触覚センサ２０を配置することが可能になる。また、ロボットハンドの把持部に触覚センサ２０を設ける場合、基材１が柔軟性材料からなると、対象物１３の形状に倣って触覚センサ２０が変形することが可能になり、対象物１３を安定して把持することが可能になる。基材１の材料は、例えば、シリコーンゴムなどである。
2. Base material, hollow part The base material 1 is a base material of the tactile sensor 20. The substrate 1 may be made of a rigid material or a flexible material, but is preferably made of a flexible material. This makes it possible to arrange the tactile sensor 20 on a curved surface or a flexible structure. Further, when the tactile sensor 20 is provided in the grip portion of the robot hand, if the base material 1 is made of a flexible material, the tactile sensor 20 can be deformed in accordance with the shape of the target 13, and the target 13 can be stabilized. And can be gripped. The material of the substrate 1 is, for example, silicone rubber.
基材１は、中空部３を有する。このことにより、可撓部５を中空部３に向かって撓ませることができ、可撓部５の撓みを利用して突起部７にかかった力の大きさや方向を検知することができる。また、中空部３は開口を有し、この開口の少なくとも一部を可撓部５が覆う。
中空部３は、可撓部５を撓ませることができる空間であればよく、基材１に設けられた貫通穴であってもよく、有底穴であってもよい。中空部３の開口の形状は、円形であってもよく、方形であってもよく、多角形であってもよいが、円形であることが好ましい。中空部３の開口の形状を円形とすることにより、その中心部に突起部７を設けることができ、円周上に等間隔で３つ以上の歪みセンサ９を設けることが可能になる。このことにより、触覚センサ２０が突起部７にかかった力の大きさや方向を感度よく検知することができる。中空部３の開口の直径又は幅は、例えば０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることができる。
中空部３の深さは、例えば中空部３の開口の直径（又は幅）１６分の１より深く、４分の１より浅くすることができる。このことにより、突起部７に大きな力がかかった場合に可撓部５を中空部３の底又は触覚センサ２０の下の物体に接触させることができ、可撓部５及び歪みセンサ９が損傷することを抑制することができる。
The substrate 1 has a hollow portion 3. Thereby, the flexible part 5 can be bent toward the hollow part 3, and the magnitude and direction of the force applied to the protrusion 7 can be detected using the bending of the flexible part 5. The hollow portion 3 has an opening, and the flexible portion 5 covers at least a part of the opening.
The hollow portion 3 only needs to be a space in which the flexible portion 5 can be bent, and may be a through hole provided in the base material 1 or a bottomed hole. The shape of the opening of the hollow portion 3 may be circular, square, or polygonal, but is preferably circular. By making the shape of the opening of the hollow portion 3 circular, the projection 7 can be provided at the center, and three or more strain sensors 9 can be provided at equal intervals on the circumference. As a result, the magnitude and direction of the force applied to the protrusion 7 by the tactile sensor 20 can be detected with high sensitivity. The diameter or width of the opening of the hollow portion 3 can be set to, for example, 0.01 mm or more and 10 mm or less.
The depth of the hollow part 3 can be made deeper than 1/16 of the diameter (or width) of the opening of the hollow part 3, for example, and shallower than 1/4. As a result, when a large force is applied to the protrusion 7, the flexible portion 5 can be brought into contact with the bottom of the hollow portion 3 or an object under the tactile sensor 20, and the flexible portion 5 and the strain sensor 9 are damaged. Can be suppressed.
図３のように触覚センサ２０が複数のセンサ素子１２を有する場合、基材１に複数の中空部３を設け、それぞれの中空部３上に可撓部５、歪みセンサ９、突起部７を設けることにより、複数のセンサ素子１２を設けることができる。また、触覚センサ２０が複数のセンサ素子１２を有する場合、それぞれのセンサ素子１２が基材１を有してもよい。 When the tactile sensor 20 has a plurality of sensor elements 12 as shown in FIG. 3, a plurality of hollow portions 3 are provided in the base material 1, and a flexible portion 5, a strain sensor 9, and a protruding portion 7 are provided on each hollow portion 3. By providing, a plurality of sensor elements 12 can be provided. Further, when the tactile sensor 20 includes a plurality of sensor elements 12, each sensor element 12 may include the substrate 1.
３．可撓部、突起部、歪みセンサ
可撓部５は、中空部３の開口を覆うように基材１上に設けられる。また、突起部７は、中空部３の開口と重なるように可撓部５上に設けられる。このことにより、図２（ｂ）（ｃ）のように、対象物１３を突起部７に直接的又は間接的に接触させることにより可撓部５を中空部３に向かって撓ませることができる。
可撓部５は、中空部３の開口全体を覆うように基材１上に設けられてもよく、中空部３の開口の一部を覆うように基材１上に設けられてもよいが、中空部３の開口全体を覆うように設けられることが好ましい。可撓部５が中空部３の開口全体を覆うことにより、可撓部５の全周囲を基材１に固着することができ、突起部７に力がかかった際の可撓部５の形状変化を安定化することができる。また、可撓部５に柔軟性の高い材料を用いることが可能になる。
3. Flexible part, protrusion part, strain sensor The flexible part 5 is provided on the base material 1 so as to cover the opening of the hollow part 3. Further, the protruding portion 7 is provided on the flexible portion 5 so as to overlap the opening of the hollow portion 3. Accordingly, as shown in FIGS. 2B and 2C, the flexible portion 5 can be bent toward the hollow portion 3 by bringing the object 13 into direct contact or indirect contact with the protruding portion 7. .
The flexible portion 5 may be provided on the base material 1 so as to cover the entire opening of the hollow portion 3, or may be provided on the base material 1 so as to cover a part of the opening of the hollow portion 3. It is preferably provided so as to cover the entire opening of the hollow portion 3. By covering the entire opening of the hollow portion 3 with the flexible portion 5, the entire periphery of the flexible portion 5 can be fixed to the substrate 1, and the shape of the flexible portion 5 when a force is applied to the protruding portion 7. Changes can be stabilized. In addition, a material having high flexibility can be used for the flexible portion 5.
可撓部５は、例えば、図１、２のように、基材１上に設けられた柔軟性シート６と、柔軟性シート６上に設けられた円柱状の突起部７が設けられた接触部材８の一部とを含んでもよい。この場合、柔軟性シート６の材料は、ポリエチレン、シリコーンゴムなどの高分子材料とすることができ、接触部材８の材料は、シリコーンゴムなどの高分子材料とすることができる。また、可撓部５は、図４（ａ）（ｂ）（ｄ）のように柔軟性シート６から構成されてもよく、図４（ｃ）のように接触部材８の一部から構成されてもよい。 The flexible part 5 is, for example, as shown in FIGS. 1 and 2, a contact provided with a flexible sheet 6 provided on the base material 1 and a columnar protrusion 7 provided on the flexible sheet 6. A part of the member 8 may be included. In this case, the material of the flexible sheet 6 can be a polymer material such as polyethylene or silicone rubber, and the material of the contact member 8 can be a polymer material such as silicone rubber. Moreover, the flexible part 5 may be comprised from the flexible sheet | seat 6 like FIG.4 (a) (b) (d), and is comprised from a part of contact member 8 like FIG.4 (c). May be.
突起部７は、対象物１３と直接的又は間接的に接触する接触部材８の全部又は一部であってもよい。また、接触部材８は、図２、図４（ｃ）のように突起部７と可撓部５の両方を構成する部材であってもよい。この場合、接触部材８の材料は、シリコーンゴムなどの柔軟性材料とすることができる。また、接触部材８は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｄ）のように突起部７を構成する部材であってもよい。この場合、接触部材８の材料は、剛性材料であってもよく、柔軟性材料であってもよい。
なお、突起部７が対象物１３と間接的に接触する場合には、触覚センサ２０の上にカバーなどを設け、カバーなどの上から対象物１３が突起部７に接触する場合を含む。
The protrusion 7 may be all or part of the contact member 8 that is in direct or indirect contact with the object 13. Further, the contact member 8 may be a member that constitutes both the protruding portion 7 and the flexible portion 5 as shown in FIGS. 2 and 4C. In this case, the material of the contact member 8 can be a flexible material such as silicone rubber. Further, the contact member 8 may be a member constituting the protrusion 7 as shown in FIGS. 4 (a), 4 (b), and 4 (d). In this case, the material of the contact member 8 may be a rigid material or a flexible material.
In addition, when the projection part 7 contacts indirectly with the target object 13, the cover etc. are provided on the tactile sensor 20, and the case where the target object 13 contacts the projection part 7 from on a cover etc. is included.
突起部７の形状は、可撓部５から突起した形状であれば特に限定されないが、例えば、図２、図４（ａ）〜（ｃ）のように円柱状であってもよく、図４（ｄ）のようにドーム状であってもよい。このことにより、触覚センサ２０が突起部７にかかった力の方向を感度よく検出することができる。突起部７の直径又は幅は、例えば、中空部３の開口の直径又は幅の４分の１以上４分の３以下とすることができる。また、突起部７の高さは、例えば、中空部３の開口の直径又は幅の８分の１以上８分の７以下とすることができる。
突起部７は、中空部３の中心部と重なるように可撓部５上に設けられてもよい。このことにより、触覚センサ２０が突起部７にかかった力の大きさや方向を感度よく検知することができる。
The shape of the protruding portion 7 is not particularly limited as long as it is a shape protruding from the flexible portion 5. For example, the protruding portion 7 may be cylindrical as shown in FIGS. 2 and 4A to 4C. It may be dome-shaped as in (d). Thereby, the direction of the force applied to the protrusion 7 by the tactile sensor 20 can be detected with high sensitivity. The diameter or width of the protrusion 7 can be, for example, not less than ¼ and not more than ¼ of the diameter or width of the opening of the hollow portion 3. Moreover, the height of the projection part 7 can be made into 1/8 or more and 8/8 or less of the diameter or width | variety of the opening of the hollow part 3, for example.
The protruding portion 7 may be provided on the flexible portion 5 so as to overlap the central portion of the hollow portion 3. As a result, the magnitude and direction of the force applied to the protrusion 7 by the tactile sensor 20 can be detected with high sensitivity.
歪みセンサ９は、少なくとも一部が中空部３の開口と重なるように可撓部５上又は可撓部５中に設けられる。また、歪みセンサ９は、中空部３の開口の周りの基材１と中空部３の開口との両方に重なるように可撓部５上又は可撓部５中に設けることができる。このことにより、対象物１３が突起部７に直接的又は間接的に接触することにより撓んだ可撓部５の歪みを歪みセンサ９により検出することができる。歪みセンサ９は、図２（ａ）のように、可撓部５を構成する柔軟性シート６と接触部材８との間に設けられてもよい。また、歪みセンサ９は、図４（ａ）（ｄ）のように柔軟性シート６の上面上に設けられてもよく、図４（ｂ）のように柔軟性シート６の裏面上に設けられてもよい。また、歪みセンサ９は、図４（ｃ）のように接触部材８の裏面上に設けられてもよい。 The strain sensor 9 is provided on or in the flexible part 5 so that at least a part thereof overlaps the opening of the hollow part 3. Further, the strain sensor 9 can be provided on or in the flexible portion 5 so as to overlap both the base material 1 around the opening of the hollow portion 3 and the opening of the hollow portion 3. Thus, the strain sensor 9 can detect the distortion of the flexible portion 5 that is bent when the object 13 directly or indirectly contacts the protrusion 7. As shown in FIG. 2A, the strain sensor 9 may be provided between the flexible sheet 6 constituting the flexible portion 5 and the contact member 8. Further, the strain sensor 9 may be provided on the upper surface of the flexible sheet 6 as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (d), and provided on the back surface of the flexible sheet 6 as shown in FIG. 4 (b). May be. Further, the strain sensor 9 may be provided on the back surface of the contact member 8 as shown in FIG.
歪みセンサ９は、可撓部５が撓むことにより生じる歪みを検知することができれば特に限定されない。歪みセンサ９は、高分子材料中に導電性微粒子が混練された感圧抵抗部１０を有するものであってもよい。
図５（ａ）（ｂ）は、本実施形態の触覚センサ２０に含まれる歪みセンサ９が有する感圧抵抗部１０の概略断面図である。歪みセンサ９は、高分子材料１５中に導電性微粒子１６及びカーボンナノチューブ１７が混練された感圧抵抗部１０を有し、感圧抵抗部１０の電気抵抗値から可撓部５の歪みを検出するセンサであってもよい。このような感圧抵抗部１０は、スクリーン印刷などの印刷法により形成することができるため、柔軟性シート６上または接触部材８の裏面上に容易に設けることができる。なお、感圧抵抗部１０の電気抵抗値を測定するための配線１１は、感圧抵抗部１０と同一面上に印刷法により形成することができる。
The strain sensor 9 is not particularly limited as long as it can detect a strain caused by the flexible portion 5 being bent. The strain sensor 9 may have a pressure-sensitive resistance portion 10 in which conductive fine particles are kneaded in a polymer material.
5A and 5B are schematic cross-sectional views of the pressure-sensitive resistor unit 10 included in the strain sensor 9 included in the tactile sensor 20 of the present embodiment. The strain sensor 9 has a pressure-sensitive resistor portion 10 in which conductive fine particles 16 and carbon nanotubes 17 are kneaded in a polymer material 15, and detects the strain of the flexible portion 5 from the electric resistance value of the pressure-sensitive resistor portion 10. It may be a sensor. Since such a pressure-sensitive resistance portion 10 can be formed by a printing method such as screen printing, it can be easily provided on the flexible sheet 6 or the back surface of the contact member 8. The wiring 11 for measuring the electric resistance value of the pressure-sensitive resistor portion 10 can be formed on the same surface as the pressure-sensitive resistor portion 10 by a printing method.
図５（ａ）は、変形していない感圧抵抗部１０の概略断面図であり、図５（ｂ）は、一端が下向きに変形し伸張した感圧抵抗部１０の概略断面図である。この感圧抵抗部１０に電流を流したとき、電流は主に導電性微粒子１６を流れる。図５（ｂ）のように、この感圧抵抗部１０が伸張すると、導電性微粒子１６の接触面積が狭くなるため感圧抵抗部１０の電気抵抗は大きくなる。逆に感圧抵抗部１０が圧縮されると導電性微粒子１６の接触面積が広くなるため、感圧抵抗部１０の電気抵抗は小さくなる。従って、感圧抵抗部１０を可撓部５の撓みと共に変形するように設け、感圧抵抗部１０の電気抵抗値を測定することにより、可撓部５の歪みを測定することができる。 FIG. 5A is a schematic cross-sectional view of the pressure-sensitive resistor portion 10 that is not deformed, and FIG. 5B is a schematic cross-sectional view of the pressure-sensitive resistor portion 10 that has one end deformed downward and extended. When a current is passed through the pressure-sensitive resistor portion 10, the current mainly flows through the conductive fine particles 16. As shown in FIG. 5B, when the pressure-sensitive resistor portion 10 expands, the contact area of the conductive fine particles 16 becomes narrow, so that the electric resistance of the pressure-sensitive resistor portion 10 increases. On the contrary, when the pressure-sensitive resistor portion 10 is compressed, the contact area of the conductive fine particles 16 is increased, so that the electric resistance of the pressure-sensitive resistor portion 10 is reduced. Therefore, the strain of the flexible part 5 can be measured by providing the pressure-sensitive resistor part 10 so as to be deformed together with the bending of the flexible part 5 and measuring the electric resistance value of the pressure-sensitive resistor part 10.
突起部７の周りには３つ以上の歪みセンサ９が配置される。また、３つ以上の歪みセンサ９が中空部３の開口の縁に沿って等間隔に配置することができる。３つ以上の歪みセンサ９により、それぞれ歪みを検知することにより、撓んだ可撓部５の形状に応じた歪みパターンを検出することができる。この歪みパターンをパターン解析することにより、突起部７にかかった力の大きさ及び向きを検出することができる。また、３つ以上の歪みセンサ９で検知することにより、突起部７にかかった力の大きさや方向を三次元で検出することができる。
なお、突起部７の周りの歪みセンサ９の数は、３つ以上６つ以下であってもよく、４つ以上７つ以下であってもよく、５つ以上８つ以下であってもよく、６つ以上１０つ以下であってもよい。歪みセンサ９の数を増やすことにより突起部７にかかった力の向きを検出する解像度を大きくすることができる。
Around the protrusion 7, three or more strain sensors 9 are arranged. In addition, three or more strain sensors 9 can be arranged at equal intervals along the edge of the opening of the hollow portion 3. By detecting the strain with three or more strain sensors 9, it is possible to detect a strain pattern corresponding to the shape of the flexed flexible portion 5. By analyzing the distortion pattern, the magnitude and direction of the force applied to the protrusion 7 can be detected. Further, by detecting with three or more strain sensors 9, the magnitude and direction of the force applied to the protrusion 7 can be detected in three dimensions.
The number of strain sensors 9 around the protrusion 7 may be 3 or more, 6 or less, 4 or 7 or less, or 5 or more and 8 or less. , 6 or more and 10 or less. By increasing the number of strain sensors 9, the resolution for detecting the direction of the force applied to the protrusion 7 can be increased.
例えば、図２（ｂ）のように、上方から対象物１３を突起部７に接触させた場合、対象物１３からの圧力により突起部７を沈み込ませることができ、可撓部５を撓ませることができる。この場合、突起部７の周囲の撓んだ可撓部５では実質的に均等に歪みが生じ、突起部７の周囲に設けた３つ以上の歪みセンサ９は、同等の歪みを検出する。従って、３つ以上の歪みセンサ９により歪みを検出することにより、突起部７に対象物１３が接触し上方から突起部７に圧力がかかったことを検出することができる。 For example, as shown in FIG. 2B, when the object 13 is brought into contact with the protrusion 7 from above, the protrusion 7 can be sunk by the pressure from the object 13, and the flexible part 5 is bent. I can do it. In this case, distortion occurs substantially uniformly in the bent flexible portion 5 around the protrusion 7, and the three or more strain sensors 9 provided around the protrusion 7 detect equivalent distortion. Therefore, by detecting the strain with the three or more strain sensors 9, it is possible to detect that the object 13 is in contact with the protrusion 7 and pressure is applied to the protrusion 7 from above.
例えば、図２（ｃ）のように、対象物１３を突起部７に接触させ斜め上又は側方から圧力が突起部７にかかった場合や突起部７と対象物１３との間に摩擦力が生じた場合、その圧力や摩擦力により突起部７を傾斜させることができ、可撓部５を撓ませることができる。
この場合、突起部７の周囲の撓んだ可撓部５では、圧力又は摩擦力の向きにより不均一な歪みが生じる。従って、突起部７の周囲に設けた３つ以上の歪みセンサ９では、圧力又は摩擦力の向きに応じて異なる歪みを検出する。従って、３つ以上の歪みセンサ９の歪みパターンから、突起部７にかかった力の大きさ及び向きを検出することができる。また、突起部７の周りの歪みセンサ９の数を増やすことにより、触覚センサ２０が検出する力の向きの解像度を高くすることができる。
また、斜め上又は側方からの圧力又は摩擦力が突起部７にかかった場合、突起部７を傾斜させることができるため、圧力又は摩擦力の大きさや方向を感度よく撓んだ可撓部５の形状に反映させることができる。この可撓部５の撓みにより生じる歪みを３つ以上の歪みセンサ９により検出することができるため、突起部７にかかった力の向きを感度よく検出することができる。
For example, as shown in FIG. 2C, when the object 13 is brought into contact with the protrusion 7 and pressure is applied to the protrusion 7 obliquely or from the side, frictional force is generated between the protrusion 7 and the object 13. When this occurs, the protrusion 7 can be inclined by the pressure and frictional force, and the flexible portion 5 can be bent.
In this case, in the flexible portion 5 that is bent around the protruding portion 7, uneven distortion occurs due to the direction of pressure or frictional force. Therefore, the three or more strain sensors 9 provided around the protrusion 7 detect different strains depending on the direction of pressure or frictional force. Accordingly, the magnitude and direction of the force applied to the protrusion 7 can be detected from the strain patterns of the three or more strain sensors 9. Further, by increasing the number of strain sensors 9 around the protrusions 7, the resolution of the direction of force detected by the tactile sensor 20 can be increased.
Further, when pressure or frictional force from obliquely above or from the side is applied to the protruding part 7, the protruding part 7 can be inclined, so that the flexible part flexes the pressure or frictional force with high sensitivity or direction. 5 can be reflected. Since the distortion caused by the bending of the flexible portion 5 can be detected by the three or more strain sensors 9, the direction of the force applied to the protruding portion 7 can be detected with high sensitivity.
また、予め、突起部７にかかった力の大きさ及び向きと３つ以上の歪みセンサ９の歪みパターンとの関係を調べデータベース化することができる。このことにより、測定された歪みパターンとデータベースの歪みパターンとを比較しパターン解析することにより、突起部７にかかった力の大きさや方向を算出することができる。 In addition, the relationship between the magnitude and direction of the force applied to the protrusions 7 and the distortion patterns of the three or more distortion sensors 9 can be examined and databased in advance. Thus, the magnitude and direction of the force applied to the protrusion 7 can be calculated by comparing the measured strain pattern with the strain pattern in the database and performing pattern analysis.
図３のように、触覚センサ２０が中空部３、可撓部５、突起部７、３つ以上の歪みセンサ９を含むセンサ素子１２を複数含み、複数のセンサ素子１２が二次元に並べられている場合、複数のセンサ素子１２による外部圧力などの検出は並列に実行することができる。この場合、対象物１３を複数のセンサ素子１２の突起部７に接触させることができ、触覚センサ２０により対象物１３の大きさを検出することができる。また、触覚センサ２０と対象物１３との間の局所的な滑り状態や局所的な摩擦力を検出することができる。このことにより、触覚センサ２０をロボットハンドなどに設置すると、重量や摩擦係数が未知の対象物１３を把持することが可能になる。
複数のセンサ素子１２による突起部７にかかった力の検出は、同時に検出してもよく、スイッチを切り替えることにより順次検出してもよい。
As shown in FIG. 3, the tactile sensor 20 includes a plurality of sensor elements 12 including a hollow portion 3, a flexible portion 5, a protrusion 7, and three or more strain sensors 9, and the plurality of sensor elements 12 are arranged two-dimensionally. In such a case, detection of external pressure or the like by the plurality of sensor elements 12 can be performed in parallel. In this case, the object 13 can be brought into contact with the protrusions 7 of the plurality of sensor elements 12, and the size of the object 13 can be detected by the tactile sensor 20. In addition, a local slip state and a local frictional force between the tactile sensor 20 and the object 13 can be detected. Accordingly, when the tactile sensor 20 is installed in a robot hand or the like, it becomes possible to grip the target 13 whose weight or friction coefficient is unknown.
The detection of the force applied to the protrusion 7 by the plurality of sensor elements 12 may be detected at the same time or sequentially by switching the switch.
４．集積化センサ、温度センサ
集積化センサ３０は、本実施形態の触覚センサ２０と基材１上に設けられた温度センサ２２とを備える。このため、集積化センサ３０により、対象物１３により突起部７にかかる力と対象物１３の温度を同時に検出することができる。
図６は、本実施形態の集積化センサ３０の概略上面図であり、図７は、本実施形態の集積化センサ３０に含まれる温度検知シート２８の概略上面図である。図６に示した集積化センサ３０は、図３に示した触覚センサ２０に図７に示した温度検知シート２８を重ね合わせた構造を有している。
4). Integrated Sensor, Temperature Sensor The integrated sensor 30 includes the tactile sensor 20 of the present embodiment and the temperature sensor 22 provided on the substrate 1. For this reason, the integrated sensor 30 can simultaneously detect the force applied to the protrusion 7 by the object 13 and the temperature of the object 13.
FIG. 6 is a schematic top view of the integrated sensor 30 of the present embodiment, and FIG. 7 is a schematic top view of the temperature detection sheet 28 included in the integrated sensor 30 of the present embodiment. The integrated sensor 30 shown in FIG. 6 has a structure in which the temperature detection sheet 28 shown in FIG. 7 is superimposed on the tactile sensor 20 shown in FIG.
集積化センサ３０が備える温度センサ２２は、対象物１３の温度を測定することができるものであれば特に限定されないが、熱電対であってもよく、温度により電気抵抗値が変化する測温抵抗部を備えたセンサであってもよい。温度センサ２２は、測温抵抗部を備えたセンサであることが好ましい。このことにより、温度センサ２２を印刷法などにより形成することができる。
温度センサ２２は、基材１上に直接設けられてもよく、柔軟性シート６上に設けられてもよく、接触部材８上に設けられてもよく、温度センサ用シート２４上に設けてもよい。図７のように温度センサ２２を温度センサ用シート２４上に設け温度検知シート２８を形成する場合、温度検知シート２８を図３に示したような触覚センサ２０に重ね合わせて接着することにより集積化センサ３０を形成することができる。この場合、温度センサ２２及び温度センサ用配線を温度センサ用シート２４上に形成することができるため、歪みセンサ９用の配線１１と温度センサ用の配線とを積層することができ、集積化センサ３０の小型化が可能になる。また、温度センサ用シート２４に接触部材用開口２６を設けることにより、温度センサ用シート２４が突起部７と重なることを防止することができる。
The temperature sensor 22 provided in the integrated sensor 30 is not particularly limited as long as it can measure the temperature of the object 13, but may be a thermocouple, and a resistance temperature sensor whose electric resistance value changes depending on the temperature. The sensor provided with the part may be used. The temperature sensor 22 is preferably a sensor provided with a temperature measuring resistance unit. Thereby, the temperature sensor 22 can be formed by a printing method or the like.
The temperature sensor 22 may be provided directly on the substrate 1, may be provided on the flexible sheet 6, may be provided on the contact member 8, or may be provided on the temperature sensor sheet 24. Good. When the temperature sensor 22 is provided on the temperature sensor sheet 24 as shown in FIG. 7 and the temperature detection sheet 28 is formed, the temperature detection sheet 28 is stacked and adhered to the tactile sensor 20 as shown in FIG. The sensor 30 can be formed. In this case, since the temperature sensor 22 and the temperature sensor wiring can be formed on the temperature sensor sheet 24, the strain sensor wiring 11 and the temperature sensor wiring can be laminated, and the integrated sensor. 30 can be miniaturized. Further, by providing the contact member opening 26 in the temperature sensor sheet 24, it is possible to prevent the temperature sensor sheet 24 from overlapping the protrusion 7.
感圧抵抗測定実験
歪みセンサ９を作製し、シリコーンゴムシート３２の歪みと感圧抵抗部１０の電気抵抗値との関係を調べた。
まず、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）インクに銀微粒子を混練して作成したペーストを、厚さ０．５ｍｍのシリコーンゴム（ＰＤＭＳ）シート３２上に塗布・乾燥することにより感圧抵抗部１０を作成した。図８のように、ＰＤＭＳシート３２及び感圧抵抗部１０が張り出すようにこのＰＤＭＳシート３２を試料台３３に固定した。そして、図８（ｂ）（ｃ）のようにＰＤＭＳシート３２の端部の位置を変位させ感圧抵抗部１０の電気抵抗値を測定した。なお、図８（ｂ）のようにＰＤＭＳシート３２の端部の位置を変位させた場合、引張り荷重により感圧抵抗部１０が伸張した状態であり、図８（ｃ）のようにＰＤＭＳシート３２の端部の位置を変位させた場合圧縮荷重により感圧抵抗部１０が圧縮された状態である。
Pressure Sensitive Resistance Measurement Experiment A strain sensor 9 was produced, and the relationship between the strain of the silicone rubber sheet 32 and the electric resistance value of the pressure sensitive resistor 10 was examined.
First, the pressure-sensitive resistance portion 10 was formed by applying and drying a paste prepared by kneading silver fine particles into carbon nanotube (CNT) ink on a silicone rubber (PDMS) sheet 32 having a thickness of 0.5 mm. As shown in FIG. 8, the PDMS sheet 32 was fixed to the sample stage 33 so that the PDMS sheet 32 and the pressure-sensitive resistor portion 10 overhang. And the position of the edge part of PDMS sheet 32 was displaced like FIG.8 (b) (c), and the electrical resistance value of the pressure sensitive resistance part 10 was measured. When the position of the end portion of the PDMS sheet 32 is displaced as shown in FIG. 8B, the pressure-sensitive resistance portion 10 is extended by a tensile load, and the PDMS sheet 32 as shown in FIG. 8C. When the position of the end portion is displaced, the pressure sensitive resistance portion 10 is compressed by the compressive load.
感圧抵抗測定実験の結果を図９に示す。なお、図９は、感圧抵抗部１０の電気抵抗値Ｒを、図８（ａ）のように感圧抵抗部１０に荷重がかかっていない状態の感圧抵抗部１０の電気抵抗値Ｒ0で割った値と、ＰＤＭＳシート３２の端部の変位との関係を示している。
図９から感圧抵抗部１０が伸長すると感圧抵抗部１０の電気抵抗値が大きくなり、感圧抵抗部１０が圧縮されると感圧抵抗部１０の電気抵抗値が小さくなることがわかった。また、Ｒ／Ｒ0は、０．０４〜５０で変化することがわかった。従って、感圧抵抗部１０をＰＤＭＳシート３２と共に形状が変化するように設け、感圧抵抗部１０の電気抵抗値を測定することによりＰＤＭＳシート３２に歪みを検知することができることがわかった。
The results of the pressure sensitive resistance measurement experiment are shown in FIG. 9 shows the electric resistance value R of the pressure-sensitive resistor portion 10 as the electric resistance value R 0 of the pressure-sensitive resistor portion 10 when no load is applied to the pressure-sensitive resistor portion 10 as shown in FIG. The relationship between the value divided by 1 and the displacement of the end of the PDMS sheet 32 is shown.
9 that the electrical resistance value of the pressure-sensitive resistor unit 10 increases when the pressure-sensitive resistor unit 10 extends, and the electrical resistance value of the pressure-sensitive resistor unit 10 decreases when the pressure-sensitive resistor unit 10 is compressed. . It was also found that R / R 0 varied from 0.04 to 50. Therefore, it was found that the strain in the PDMS sheet 32 can be detected by providing the pressure-sensitive resistor portion 10 together with the PDMS sheet 32 so as to change its shape and measuring the electric resistance value of the pressure-sensitive resistor portion 10.
歪み検知実験
図１、２に示したような４つの歪みセンサ９ａ〜９ｄが突起部７の周りに設けられた触覚センサ２０を作製し、図２（ｂ）、図１０（ｂ）のようにほぼ上方から突起部７に指で約０．３秒荷重をかけ可撓部５を撓ませて歪みセンサ９ａ〜９ｄの感圧抵抗部１０の電気抵抗値の変化を測定した。なお、基材１には、ポリエステル製のシートを用い、柔軟性シート６には、ポリエチレン（ＰＥ）製のシートを用い、接触部材８はシリコーンゴム（ＰＤＭＳ）で作製した。また、歪みセンサ９は、ＣＮＴインクに銀微粒子を混練して作製したペーストを柔軟性シート６上にスクリーン印刷することにより作製し、配線１１は銀ペーストを柔軟性シート６上にスクリーン印刷することにより作製した。また、中空部３の開口は、直径５ｍｍの円とし、突起部７は、直径２ｍｍ、高さ１ｍｍの円柱とした。
測定結果を図１０（ａ）に示す。図１０（ａ）では、感圧抵抗部１０の電気抵抗値を感圧抵抗部１０にかかる圧力に換算している。
図１０（ａ）に示したように、歪みセンサ９ａ、９ｄでは、約１５ｍＮの圧力が計測され、歪みセンサ９ｂ、９ｃでは、約１２ｍＮの圧力が計測された。従って、ほぼ上方から突起部７に荷重をかけると、歪みセンサ９ａ〜９ｄで測定される圧力はほぼ同じになることがわかった。
Distortion detection experiment As shown in FIGS. 2B and 10B, a tactile sensor 20 in which four strain sensors 9a to 9d as shown in FIGS. The change of the electric resistance value of the pressure-sensitive resistance part 10 of the strain sensors 9a to 9d was measured by applying a load of about 0.3 seconds to the protrusion part 7 with a finger from substantially above and bending the flexible part 5. In addition, the base material 1 was made of a polyester sheet, the flexible sheet 6 was made of a polyethylene (PE) sheet, and the contact member 8 was made of silicone rubber (PDMS). The strain sensor 9 is prepared by screen-printing a paste prepared by kneading silver fine particles in CNT ink on the flexible sheet 6, and the wiring 11 is screen-printed with the silver paste on the flexible sheet 6. It was produced by. The opening of the hollow portion 3 was a circle with a diameter of 5 mm, and the protrusion 7 was a cylinder with a diameter of 2 mm and a height of 1 mm.
The measurement results are shown in FIG. In FIG. 10A, the electric resistance value of the pressure-sensitive resistor unit 10 is converted into the pressure applied to the pressure-sensitive resistor unit 10.
As shown in FIG. 10A, the strain sensors 9a and 9d measured a pressure of about 15 mN, and the strain sensors 9b and 9c measured a pressure of about 12 mN. Accordingly, it was found that when the load is applied to the protrusion 7 from substantially above, the pressures measured by the strain sensors 9a to 9d are substantially the same.
次に、図２（ｃ）、図１１（ｂ）のように、歪みセンサ９ａから歪みセンサ９ｃに向かう斜め上方向からの荷重を約０．３秒指で突起部７にかけ可撓部５を撓ませて歪みセンサ９ａ〜９ｄの感圧抵抗部１０の電気抵抗値の変化を測定した。
測定結果を図１１（ａ）に示す。図１１（ａ）では、感圧抵抗部１０の電気抵抗値を感圧抵抗部１０にかかる圧力に換算している。
図１１（ａ）に示したように、荷重方向に配置された歪みセンサ９ｃでは約１３ｍＮの圧力が計測され、歪みセンサ９ｃと対向するように配置された歪みセンサ９ａでは約８．５ｍＮの圧力が計測された。また、歪みセンサ９ｂ、９ｃでは約５ｍＮの圧力が計測された。従って、斜め上方向からの荷重を突起部７にかけると荷重方向に配置された歪みセンサで最も高い圧力が計測されることがわかった。
Next, as shown in FIG. 2 (c) and FIG. 11 (b), a load from an obliquely upward direction from the strain sensor 9a toward the strain sensor 9c is applied to the protrusion 7 with a finger for about 0.3 seconds, and the flexible portion 5 is moved. The change in the electric resistance value of the pressure-sensitive resistor portion 10 of the strain sensors 9a to 9d was measured by bending.
The measurement results are shown in FIG. In FIG. 11A, the electric resistance value of the pressure-sensitive resistor unit 10 is converted into a pressure applied to the pressure-sensitive resistor unit 10.
As shown in FIG. 11A, a pressure of about 13 mN is measured in the strain sensor 9c arranged in the load direction, and a pressure of about 8.5 mN is measured in the strain sensor 9a arranged to face the strain sensor 9c. Was measured. Further, a pressure of about 5 mN was measured in the strain sensors 9b and 9c. Accordingly, it was found that when a load from an obliquely upward direction is applied to the protrusion 7, the highest pressure is measured by the strain sensor arranged in the load direction.
シミュレーション
図１、２に示したような触覚センサ２０について、突起部７にｚ方向に−２０ｍＮの荷重（上方からの荷重）をかけた際の可撓部５の歪みについてシミュレーションを行った。中空部３の開口は、図１２（ｂ）に示したように直径５ｍｍの円として計算した。
シミュレーション結果を図１２（ａ）に示す。図１２に示したように、上方から突起部７に荷重がかかると、開口の縁に沿って円状に圧力がかかることがわかった。従って、４つの歪みセンサ９ａ〜９ｄでは、同等の歪みが検出されると考えられる。この結果は、図１０（ａ）に示した歪み検知実験の測定結果と一致している。
従って、４つの歪みセンサ９ａ〜９ｄから計測される歪みがほぼ同等である場合、対象物１３が上方から突起部７に接触したことを触覚センサ２０により検出することができる。
Simulation For the tactile sensor 20 as shown in FIGS. 1 and 2, a simulation was performed on the distortion of the flexible portion 5 when a load of −20 mN (a load from above) was applied to the protrusion 7 in the z direction. The opening of the hollow portion 3 was calculated as a circle having a diameter of 5 mm as shown in FIG.
The simulation result is shown in FIG. As shown in FIG. 12, it was found that when a load was applied to the protrusion 7 from above, pressure was applied in a circular shape along the edge of the opening. Therefore, it is considered that the four strain sensors 9a to 9d detect equivalent strain. This result agrees with the measurement result of the strain detection experiment shown in FIG.
Therefore, when the strains measured from the four strain sensors 9a to 9d are substantially equal, it can be detected by the tactile sensor 20 that the object 13 has contacted the protrusion 7 from above.
次に、図１、２に示したような触覚センサ２０について、ｘ方向に２０ｍＮ、ｚ方向に−１０ｍＮの荷重（斜め上方向からの荷重）を突起部７にかけた際の可撓部５の歪みについてシミュレーションを行った。中空部３の開口は、直径５ｍｍとして計算した。
シミュレーション結果を図１３に示す。図１３に示したように、斜め上方向から突起部７に荷重がかかると、荷重方向に配置された歪みセンサ９ｃ付近に大きな圧力がかかることがわかった。従って、４つの歪みセンサ９ａ〜９ｄのうち歪みセンサ９ｃで最も大きい歪みが検出されると考えられる。この結果は、図１１（ａ）に示した歪み検知実験の測定結果と一致している。
従って、４つの歪みセンサ９ａ〜９ｄから測定される歪みのうち１つの歪みセンサ９ｃから計測される歪みが特に大きい場合、歪みセンサ９ｃに向かう斜め上方向からの荷重が突起部７にかかったことを触覚センサ２０により検出することができる。
Next, with respect to the tactile sensor 20 as shown in FIGS. 1 and 2, the flexible portion 5 when a load of 20 mN in the x direction and −10 mN in the z direction (a load from an obliquely upward direction) is applied to the protrusion 7. A simulation was performed for distortion. The opening of the hollow part 3 was calculated as a diameter of 5 mm.
The simulation result is shown in FIG. As shown in FIG. 13, it was found that when a load is applied to the protrusion 7 from an obliquely upward direction, a large pressure is applied in the vicinity of the strain sensor 9c disposed in the load direction. Therefore, it is considered that the largest strain is detected by the strain sensor 9c among the four strain sensors 9a to 9d. This result agrees with the measurement result of the strain detection experiment shown in FIG.
Therefore, when the strain measured from one strain sensor 9c among the strains measured from the four strain sensors 9a to 9d is particularly large, a load from an obliquely upward direction toward the strain sensor 9c is applied to the protrusion 7. Can be detected by the tactile sensor 20.
温度検知実験
測温抵抗部を備えた温度センサ２２を作製し、温度センサ２２の温度応答性を調べた。測温抵抗部は、ＣＮＴインクに高分子材料のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを混練して作製したペーストを温度センサ用シート２４上に印刷することにより作製した。作製した温度センサ２２を図１４（ｂ）のように配置し、温度センサ２２の上方１ｍｍの箇所に６０℃の加熱物体３５を約５７秒間配置して測温抵抗部の電気抵抗値の変化を測定した。この測定結果を図１４（ａ）に示す。なお、図１４（ａ）では、測温抵抗部の電気抵抗値の変化量ΔＲと時間の関係を示している。
図１４（ａ）に示したように、加熱物体３５を配置して約２０秒で約１０％電気抵抗値が変化した。また、加熱物体３５を除去して約５０秒でΔＲは約２％まで回復した。
Temperature sensor 22 A temperature sensor 22 having a temperature measuring resistance unit was manufactured, and the temperature responsiveness of the temperature sensor 22 was examined. The resistance temperature detector was prepared by printing a paste prepared by kneading the polymer material PEDOT: PSS on the CNT ink on the temperature sensor sheet 24. The manufactured temperature sensor 22 is arranged as shown in FIG. 14B, and a heating object 35 at 60 ° C. is arranged at a location 1 mm above the temperature sensor 22 for about 57 seconds to change the electric resistance value of the resistance temperature measuring section. It was measured. The measurement results are shown in FIG. FIG. 14A shows the relationship between the amount of change ΔR in the electrical resistance value of the resistance temperature detector and time.
As shown in FIG. 14A, the electric resistance value changed about 10% in about 20 seconds after the heating object 35 was arranged. Further, ΔR recovered to about 2% in about 50 seconds after removing the heated object 35.
次に、２２℃〜８０℃の加熱物体３５を用いて、同様の方法で測温抵抗部の電気抵抗値の変化を測定し測温抵抗部の電気抵抗値の変化量ΔＲを調べた。この測定結果を図１５に示す。なお、図１５に示したΔＲは、加熱物体３５を配置して電気抵抗値が安定した時点でのΔＲである。図１５に示したように、２２℃〜８０℃にかけて測温抵抗部の電気抵抗値の変化量ΔＲは温度が高くなると比例して大きくなることがわかった。また、感度は０．２５％／℃であった。従って、作製した温度センサ２２により、１ｍｍ上方の加熱物体３５の温度を測定することができることがわかった。 Next, using a heating object 35 of 22 ° C. to 80 ° C., the change in the electrical resistance value of the resistance temperature detector was measured in the same manner, and the change ΔR in the electrical resistance value of the resistance temperature detector was examined. The measurement results are shown in FIG. Note that ΔR shown in FIG. 15 is ΔR when the heating object 35 is arranged and the electric resistance value is stabilized. As shown in FIG. 15, it was found that the amount of change ΔR in the electrical resistance value of the resistance temperature detector increases in proportion from 22 ° C. to 80 ° C. as the temperature increases. The sensitivity was 0.25% / ° C. Therefore, it was found that the temperature of the heated object 35 1 mm above can be measured by the produced temperature sensor 22.
歪み・温度検知実験
図３に示したような９つのセンサ素子１２ａ〜１２ｉを有する触覚センサ２０を作製した。また、図７に示したような温度検知シート２８を作製した。そして、温度検知シート２８を触覚センサ２０に重ね合わせて図６のような集積化センサ３０を作製した。なお、触覚センサ２０の作製方法は、上述の歪み検知実験と同様である。また、隣接する突起部７の間隔は、１５ｍｍとした。
温度検知シート２８は、ポリエチレンテレフタラート製の温度センサ用シート２４上にＣＮＴインクに高分子材料のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを混練して作製したペーストを印刷し温度センサ２２を形成することにより作製した。なお、温度センサ２２は、センサ素子１２ａ〜１２ｉにそれぞれ近接するように設けた。
Strain / temperature detection experiment A tactile sensor 20 having nine sensor elements 12a to 12i as shown in FIG. 3 was produced. Further, a temperature detection sheet 28 as shown in FIG. 7 was produced. Then, an integrated sensor 30 as shown in FIG. 6 was manufactured by superimposing the temperature detection sheet 28 on the tactile sensor 20. The manufacturing method of the tactile sensor 20 is the same as the above-described distortion detection experiment. The interval between adjacent protrusions 7 was 15 mm.
The temperature detection sheet 28 was prepared by printing a paste prepared by kneading a polymer material PEDOT: PSS on a CNT ink on a temperature sensor sheet 24 made of polyethylene terephthalate to form the temperature sensor 22. The temperature sensor 22 was provided so as to be close to the sensor elements 12a to 12i.
まず、図１６（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｆの突起部７の上方から指で突起部７に荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図１６（ｂ）（ｃ）に示す。図１６（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｆの４つの歪みセンサ９で同等の圧力が検出された。このことからセンサ素子１２ｆの突起部７の上方から突起部７に荷重が加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。また、図１６（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｆに近接して設置した温度センサ２２で最も高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｆに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。
従って、対象物１３が集積化センサ３０に接触した位置及びこの接触による圧力の大きさ、圧力の方向並びに温度を同時に検出することができた。
First, as shown in FIG. 16A, a load is applied to the protrusion 7 from above the protrusion 7 of the sensor element 12f included in the integrated sensor 30, and measurement is performed by each strain sensor 9 and each temperature sensor 22. It was. The results are shown in FIGS. 16 (b) and 16 (c). As shown in FIG. 16B, the same pressure was detected by the four strain sensors 9 of the sensor element 12f. From this, the integrated sensor 30 could detect that a load was applied to the protrusion 7 from above the protrusion 7 of the sensor element 12f. Further, as shown in FIG. 16C, the highest temperature was measured by the temperature sensor 22 installed close to the sensor element 12f. From this, it was possible to detect by the integrated sensor 30 that the high-temperature object 13 approached the sensor element 12f.
Therefore, the position where the object 13 is in contact with the integrated sensor 30, the magnitude of the pressure, the direction of the pressure, and the temperature due to this contact could be detected simultaneously.
次に、図１７（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｅの突起部７の上方から指で突起部７に荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図１７（ｂ）（ｃ）に示す。図１７（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｅの４つの歪みセンサ９で同等の圧力が検出された。このことからセンサ素子１２ｅの突起部７の上方から突起部７に荷重が加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。また、図１７（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｅに近接して設置した温度センサ２２で最も高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｅに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。 Next, as shown in FIG. 17A, a load is applied to the protrusion 7 with a finger from above the protrusion 7 of the sensor element 12e included in the integrated sensor 30, and measurement is performed by each strain sensor 9 and each temperature sensor 22. went. The results are shown in FIGS. 17 (b) and 17 (c). As shown in FIG. 17B, the same pressure was detected by the four strain sensors 9 of the sensor element 12e. From this, the integrated sensor 30 could detect that a load was applied to the protrusion 7 from above the protrusion 7 of the sensor element 12e. Further, as shown in FIG. 17C, the highest temperature was measured by the temperature sensor 22 installed close to the sensor element 12e. From this, it was possible to detect by the integrated sensor 30 that the high-temperature object 13 approached the sensor element 12e.
次に、図１８（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｄ、１２ｇの突起部７の上方から指で突起部７に荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図１８（ｂ）（ｃ）に示す。図１８（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｄ、１２ｇでそれぞれ４つの歪みセンサ９で同等の圧力が検出された。このことからセンサ素子１２ｄ、１２ｇの突起部７の上方から突起部７に荷重が加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。また、図１８（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｄ、１２ｇに近接して設置した２つの温度センサ２２で高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｄ、１２ｇに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。
従って、集積化センサ３０に含まれる複数のセンサ素子１２で同時に圧力などを検出できた。
Next, as shown in FIG. 18A, a load is applied to the protrusion 7 with a finger from above the protrusions 7 of the sensor elements 12d and 12g included in the integrated sensor 30, and each strain sensor 9 and each temperature sensor 22 Measurements were made. The results are shown in FIGS. 18 (b) and 18 (c). As shown in FIG. 18B, equivalent pressures were detected by the four strain sensors 9 in the sensor elements 12d and 12g, respectively. From this, the integrated sensor 30 could detect that a load was applied to the protrusion 7 from above the protrusions 7 of the sensor elements 12d and 12g. Moreover, as shown in FIG.18 (c), high temperature was measured with the two temperature sensors 22 installed close to the sensor elements 12d and 12g. From this, it was possible to detect by the integrated sensor 30 that the high-temperature object 13 approached the sensor elements 12d and 12g.
Therefore, the pressure or the like can be detected simultaneously by the plurality of sensor elements 12 included in the integrated sensor 30.
次に、図１９（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｄの突起部７に指で斜め上方向から荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図１９（ｂ）（ｃ）に示す。図１９（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｄ４つの歪みセンサ９のうち１つの歪みセンサ９で高い圧力が検出された。このことからこの高い圧力が検出された歪みセンサ９に向かう斜め方向の荷重がセンサ素子１２ｄの突起部７に加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。また、図１９（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｄに近接して設置した温度センサ２２で高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｄに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。 Next, as shown in FIG. 19A, a load was applied to the protrusion 7 of the sensor element 12d included in the integrated sensor 30 from the diagonally upward direction with a finger, and measurement was performed with each strain sensor 9 and each temperature sensor 22. . The results are shown in FIGS. 19 (b) and 19 (c). As shown in FIG. 19B, a high pressure was detected by one of the four strain sensors 9 from the sensor element 12d. From this, it was possible to detect by the integrated sensor 30 that a load in an oblique direction toward the strain sensor 9 where this high pressure was detected was applied to the protrusion 7 of the sensor element 12d. Moreover, as shown in FIG.19 (c), high temperature was measured with the temperature sensor 22 installed close to the sensor element 12d. From this, it was possible to detect by the integrated sensor 30 that the high-temperature object 13 approached the sensor element 12d.
次に、図２０（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｂの突起部７に指で斜め上方向から荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図２０（ｂ）（ｃ）に示す。図２０（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｂの４つの歪みセンサ９のうち１つの歪みセンサ９で高い圧力が検出された。このことからこの高い圧力が検出された歪みセンサ９に向かう斜め方向の荷重がセンサ素子１２ｂの突起部７に加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。また、図２０（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｂに近接して設置した温度センサ２２で高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｂに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。 Next, as shown in FIG. 20A, a load was applied to the protrusion 7 of the sensor element 12 b included in the integrated sensor 30 from the diagonally upward direction with a finger, and measurement was performed with each strain sensor 9 and each temperature sensor 22. . The results are shown in FIGS. 20 (b) and 20 (c). As shown in FIG. 20B, a high pressure was detected by one of the four strain sensors 9 of the sensor element 12b. From this, it was possible to detect by the integrated sensor 30 that a load in an oblique direction toward the strain sensor 9 where this high pressure was detected was applied to the protrusion 7 of the sensor element 12b. Moreover, as shown in FIG.20 (c), high temperature was measured with the temperature sensor 22 installed close to the sensor element 12b. From this, it was possible to detect by the integrated sensor 30 that the high-temperature object 13 approached the sensor element 12b.
次に、図２１（ａ）のように集積化センサ３０に含まれるセンサ素子１２ｃ、１２ｆの突起部７に指で斜め上方向から荷重を加え、各歪みセンサ９及び各温度センサ２２で測定を行った。この結果を図２１（ｂ）（ｃ）に示す。図２１（ｂ）に示したように、センサ素子１２ｃの４つの歪みセンサ９のうち１つの歪みセンサ９で高い圧力が検出され、センサ素子１２ｆの４つの歪みセンサ９のうち２つの歪みセンサ９で高い圧力が検出された。このことからセンサ素子１２ｃではこの高い圧力が検出された歪みセンサ９に向かう斜め方向の荷重がセンサ素子１２ｃの突起部７に加えられたことを集積化センサ３０により検出することができた。センサ素子１２ｆでは、荷重が加えられた方向を検出することはできなかった。これは突起部７にかかる荷重が大きすぎたためと考えられる。また、図２１（ｃ）に示したようにセンサ素子１２ｃ、１２ｆに近接して設置した温度センサ２２で高い温度が測定された。このことから温度の高い対象物１３がセンサ素子１２ｃ、１２ｆに接近したことを集積化センサ３０により検出することができた。 Next, as shown in FIG. 21A, a load is applied to the protrusions 7 of the sensor elements 12c and 12f included in the integrated sensor 30 from the diagonally upward direction with a finger, and measurement is performed with each strain sensor 9 and each temperature sensor 22. went. The results are shown in FIGS. 21 (b) and 21 (c). As shown in FIG. 21B, a high pressure is detected by one of the four strain sensors 9 of the sensor element 12c, and two strain sensors 9 of the four strain sensors 9 of the sensor element 12f are detected. A high pressure was detected. From this, in the sensor element 12c, it was possible to detect by the integrated sensor 30 that a load in an oblique direction toward the strain sensor 9 where this high pressure was detected was applied to the protrusion 7 of the sensor element 12c. The sensor element 12f could not detect the direction in which the load was applied. This is presumably because the load applied to the protrusion 7 was too large. Further, as shown in FIG. 21C, a high temperature was measured by the temperature sensor 22 installed in the vicinity of the sensor elements 12c and 12f. From this, it was possible to detect by the integrated sensor 30 that the high-temperature object 13 approached the sensor elements 12c and 12f.
１：基材 ３：中空部 ５：可撓部 ６：柔軟性シート ７：突起部 ８：接触部材 ９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ：歪みセンサ １０：感圧抵抗部 １１：配線 １２：センサ素子 １３：対象物 １４：接続端子 １５：高分子材料 １６：導電性微粒子 １７：カーボンナノチューブ ２０：触覚センサ ２２：温度センサ ２４：温度センサ用シート ２６：接触部材用開口 ２８：温度検知シート ３０：集積化センサ ３２：シリコーンゴムシート ３３：試料台 ３５：加熱物体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Base material 3: Hollow part 5: Flexible part 6: Flexible sheet 7: Protrusion part 8: Contact member 9, 9a, 9b, 9c, 9d: Strain sensor 10: Pressure-sensitive resistance part 11: Wiring 12: Sensor Element 13: Object 14: Connection terminal 15: Polymer material 16: Conductive fine particle 17: Carbon nanotube 20: Tactile sensor 22: Temperature sensor 24: Temperature sensor sheet 26: Contact member opening 28: Temperature detection sheet 30: Integrated sensor 32: Silicone rubber sheet 33: Sample stage 35: Heated object
Claims (3)
前記触覚センサは、開口を有する中空部が複数設けられた基材を備え、
前記基材は、柔軟性材料からなるシートであり、
前記開口の形状は、円形であり、
各センサ素子は、前記開口を有する前記中空部と、前記開口の全体を覆うように前記基材上に設けられた可撓部と、前記開口と重なるように前記可撓部上に設けられた突起部と、３つ以上の歪みセンサとを備え、
前記突起部は、前記開口の中心に配置され、
各センサ素子に含まれる前記可撓部は、対象物が前記突起部に直接的又は間接的に接触することにより前記中空部に向かって撓むように設けられ、
各センサ素子に含まれる３つ以上の歪みセンサは、前記突起部の周りに配置され、かつ、各歪みセンサの少なくとも一部が前記開口と重なるように前記可撓部上又は前記可撓部中に設けられ、かつ、前記開口の縁に沿って等間隔に配置され、
前記可撓部が撓むことにより生じる歪みを３つ以上の歪みセンサが検知することを特徴とする触覚センサ。 A tactile sensor in which a plurality of sensor elements are arranged two-dimensionally,
The tactile sensor includes a base material provided with a plurality of hollow portions having openings ,
The base material is a sheet made of a flexible material,
The shape of the opening is circular,
Each sensor element is provided on the flexible part so as to overlap the hollow part having the opening, a flexible part provided on the base material so as to cover the whole of the opening, and the opening. Providing a protrusion and three or more strain sensors,
The protrusion is disposed at the center of the opening;
The flexible portion included in each sensor element is provided so that an object is bent toward the hollow portion by directly or indirectly contacting the protrusion,
Three or more strain sensors included in each sensor element are arranged around the protrusion, and at least a part of each strain sensor overlaps the opening or in the flexible portion. And arranged at equal intervals along the edge of the opening,
3. A tactile sensor, wherein three or more strain sensors detect a strain caused by bending of the flexible portion.
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