JP7006216B2 - 触知センサ及びアンドロイド - Google Patents

Description

本発明は、触知センサ及びアンドロイドに関する。

近年、アンドロイド（人間を模した機械）の開発が進められている。アンドロイドは、骨格を構成している機械部と、この機械部を覆う表皮部とを備えている。皮膚部は、例えばシリコンゴム等の柔軟な材料により製作されている。

アンドロイドに触知センサが設けられることがある。触知センサの例として、例えば特許文献１に開示されているように、ピエゾフィルムの両面に電極が設けられた構成が知られている。この触知センサによれば、例えば、人間がアンドロイドに触れることで、触知センサが信号を出力し、人間との接触をアンドロイドの制御装置が検知する仕組みとなっている。

特開２０１３－１７８２４１号公報

従来の触知センサは、骨格を構成している機械部に散らばって配置されており、これら触知センサを皮膚部が覆っている。触知センサは、機械部に散らばって配置されているため、例えば、アンドロイドの皮膚部のある範囲を連続して押した場合、触知センサの設置領域では、触知センサから信号が出力されて負荷を検知できるが、触知センサの間では信号が出力されない。つまり、アンドロイドに連続的に触れているにも関わらず、アンドロイド側は間欠的に触れられていると判断してしまう。なお、このような触知センサは、アンドロイド以外にも用いられる。

そこで、本発明は、負荷を連続的に検知することが可能となる触知センサ、及びこのような触知センサを備えているアンドロイドを提供することを目的とする。

本発明の触知センサは、弾性変形可能なシートと、当該シート内に設けられているコイルと、前記コイルと共に前記シート内に設けられている粉状又は繊維状の磁性材料と、前記コイルのインダクタンスを検知する検知部と、を備えている。
この触知センサによれば、シートを押したり曲げたりすると、シートと共に内部のコイルが変形し、この変形に応じてコイルのインダクタンスが変化する。検知部がコイルのインダクタンスを検知し、インダクタンスの変化によりシートの変形や負荷を検出することが可能となる。コイルがシート内に設けられていることから、シートのある範囲に対して連続して負荷が作用する場合、その負荷を連続的に検知することが可能となる。しかも、粉状又は繊維状の磁性材料により透磁率を高めてインダクタンスを大きくすることができ、検知部による検知精度を高めることが可能となる。

また、前記コイルは、前記シート内に網目状の配置で設けられているのが好ましい。この構成により、シートが様々な態様に曲げられた場合に、その態様を検知することが可能となる。
また、コイルがシート内に網目状で配置されている場合、前記磁性材料は、粉状であり、前記シート内に分散して設けられているのが好ましい。この場合、粉状の磁性材料がシート内に散りばめられ、各コイルのインダクタンスを大きくすることができる。

例えば、シート内に複数設けられているコイルの間隔が広い場合、コイルの間に（コイルから離れて）磁性材料が存在していても、インダクタンスの増大に与える影響が小さい。そこで、例えば、コイルの間隔が比較的広い場合には、前記磁性材料は、繊維状であって前記コイルに沿って設けられているのが好ましい。この構成によれば、コイルのインダクタンスを効果的に大きくすることができる。なお、コイルの間隔が狭い場合であっても、繊維状である磁性材料をコイルに沿って設ければよい。

また、本発明のアンドロイドは、骨格を構成している機械部と、当該機械部を覆う皮膚部とを有し、前記皮膚部の少なくとも一部が、請求項１～４のいずれか一項に記載の触知センサにより構成されている。
この構成によれば、触知センサが備えている弾性変形可能なシートが、アンドロイドの皮膚部の少なくとも一部となる。このアンドロイドは、前記触知センサを備えていることから、例えば、皮膚部のうち前記触知センサを含む範囲を連続して押した場合に、その負荷を連続的に検知することが可能となる。

本発明によれば、触知センサは、負荷を連続的に検知することが可能となる。また、このような触知センサを備えているアンドロイドによれば、人間のような細かな触覚を取得することが可能となる。

アンドロイドの一部（腕部）を示す斜視図である。 触知センサの構成を説明する構成図である。 触知センサの機能を説明する図である。 別の形態の触知センサの構成を説明する構成図である。 触知センサに与えた荷重と、その荷重を与えた際のコイルのインダクタンスとの関係を示しているグラフである。 触知センサの押し込み量と、その押し込み量を与えた際のコイルのインダクタンスとの関係を示しているグラフである。

図１は、アンドロイドの一部（腕部）を示す斜視図である。アンドロイド１０は、骨格を構成している機械部１１と、この機械部１１を覆う皮膚部１２とを有している。機械部１１は、複数のアーム部材１３、アーム部材１３を繋ぐ関節部１４、及びアクチュエータ１５を含む。関節部１４は、アーム部材１３と一体動作する軸、及び軸受等の複数の機械要素を含む。アクチュエータ１５は、モータ又は流体アクチュエータ等により構成されている。アクチュエータ１５が動作することにより、関節部１４において複数のアーム部材１３が全体として曲がった状態となったり直線状に延びた状態となったりする。機械部１１は、図示する形態以外であってもよく、従来知られている構成とすることができる。

皮膚部１２は、弾性を有する膜状部材（シート）により構成されている。この膜状部材の少なくとも一部が、触知センサ２０の機能を備えている。図１に示すアンドロイド１０の場合、手指を有する手機構１６（手のひら）における皮膚部１２が、触知センサ２０により構成されている。なお、腕部分の皮膚部１２が触知センサ２０により構成されていてもよく、または、図１に示す皮膚部１２の全範囲が触知センサ２０により構成されていてもよい。皮膚部１２（前記膜状部材）は、ゴム製であって弾性変形が容易な材料により構成されている。皮膚部１２は、例えば、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリルゴム、シリコンゴム等を採用することができる。

図２は、触知センサ２０の構成を説明する構成図である。図３は、触知センサ２０の機能を説明する図である。触知センサ２０は、弾性変形可能なシート２１と、このシート２１内に設けられているコイル２３と、磁性材料２４と、検知部２５（図３参照）とを備えている。

シート２１は、高分子材料であり、本実施形態の場合、ゴム製である。シート２１を、皮膚部１２と同じ材料（例えば、ＥＰＤＭ）により構成することができる。図２において、シート２１は、厚さｔが薄く（例えば１０ミリメートル未満）、厚さ方向に弾性変形が容易であり、また、全体として柔軟であり曲げ力が作用するとその曲げの方向に容易に弾性変形する。シート２１の面（おもて面）２２が、皮膚部１２のおもて面（外面）の一部となる。

シート２１内に複数本のコイル２３が設けられている。コイル２３は、シート２１の面２２に平行な方向に沿ってシート２１内に埋設されている。図２に示す触知センサ２０の場合、コイル２３は、シート２１内に網目状の配置で設けられている。

コイル２３の配置は網目状以外であってもよく、図４に示すように、複数本のコイル２３を、一方向に沿って平行に配置してもよい。なお、図４に示す形態の場合であっても、コイル２３は、シート２１の面２２に平行な方向に沿ってシート２１内に埋設されている。

図２及び図４に示す各形態において、コイル２３は、シート２１の厚さ方向の中央の領域に設けられている。この構成を得るために、シート２１をゴムによって金型内で成形（加硫成形）する際、この金型のキャビティにコイル２３を予め設置すればよい。

シート２１の成形の際、磁性材料２４も同時にシート２１内に埋設される。つまり、磁性材料２４は、コイル２３と共にシート２１内に設けられている。磁性材料２４は、粉状又は繊維状である。磁性材料２４の具体例を説明する。磁性材料２４は、アモルファス金属繊維（例えば、センシィ（登録商標）、愛知製鋼製）により構成されている。このアモルファス金属繊維をチョップ加工する（例えば長さを５０～１５０マイクロメートルとする）ことで粉状の磁性材料（磁性粉材料）２４とし、この磁性材料２４を、シート２１を構成するゴムに混練する。または、チョップ加工することなく、コイル２３と同じ長さのまま繊維状（線状）として用いることができる。

図２に示すように、コイル２３を網目状に配置する場合、磁性材料２４は粉状であるのが好ましい。つまり、粉状である磁性材料２４がシート２１内に分散して設けられている。コイル２３を網目状とする場合であってもコイル２３の間隔が広い場合や、コイル２３を図４に示すように、一方向に沿って平行に配置する場合、磁性材料２４を繊維状とするのが好ましい。磁性材料２４を繊維状とする場合、その磁性材料２４はコイル２３の長手方向に沿って設けられる。図４に示す形態では、コイル２３の中心に繊維状とした磁性材料２４を複数本（例えば三本）について挿通させている。

コイル２３は、エナメル線（素線）を螺旋状とし細長く構成されている。コイル２３の全長は、シート２１の長さに応じて変更される。コイル２３の直径は１ミリメートル以下であり、素線の直径は０．１ミリメートル以下であり、コイル２３は極小コイルである。各コイル２３は他のコイル２３と電気的に独立して設けられている。図３に示すように、各コイル２３に検知部２５が接続されている。検知部２５は、コイル２３のインダクタンスを検知するＬＣＲメータにより構成されている。検知部２５は、コイル２３のインダクタンスを検知すると共に、インダクタンスの変化（時間的変化）についても検知することができる。検知部２５は、検知したインダクタンス及びその変化を信号として出力する。

コイル２３におけるインダクタンスは、次の式による。

図２及び図４において、シート２１が変形することでコイル２３も変形する。コイル２３の変形によりコイル２３の軸方向の長さが変化する。また、コイル２３の断面積も変化する。よって、シート２１が変形すると、シート２１内に埋設されているコイル２３のインダクタンスが変化する。このインダクタンス（インダクタンスの変化）が検知部２５によって測定される。

図３において、検知部２５から出力された信号は、アンドロイド１０が備えている制御装置１７に入力される。制御装置１７は、コンピュータにより構成されている。なお、検知部２５が検知したインダクタンスの変化（時間的変化）については、制御装置１７が取得してもよい。制御装置１７は、検知部２５からの信号に基づいて、シート２１（触知センサ２０）に加えられた荷重（押し込み力）や、この荷重による変形態様（例えば、変位）の情報を取得する機能を備えている。例えば、触知センサ２０に加えられた荷重又はこの荷重による変形態様と、その触知センサ２０から出力される信号（信号強度）とが対応付けられたテーブルを、制御装置１７は備えており、触知センサ２０から信号を取得すると、制御装置１７は、前記テーブルを参照することで、アンドロイド１０の皮膚部１２（触知センサ２０）に加えられた荷重や、この荷重による変形態様の情報を取得することができる。

図５は、触知センサ２０に与えた荷重と、その荷重を与えた際のコイル２３のインダクタンスとの関係（測定値）を示しているグラフである。図６は、触知センサ２０の押し込み量と、その押し込み量を与えた際のコイル２３のインダクタンスとの関係（測定値）を示しているグラフである。図５及び図６の結果は、図２に示す触知センサ２０が有する一つのコイル２３による実測値である。図５及び図６に示すように、触知センサ２０への荷重及び押し込み量が変化すると、インダクタンスも変化する。触知センサ２０のシート２１を曲げた場合のみならず、面２２に対して押し付ける力を与えた場合においても、コイル２３の長さ等が変化し、インダクタンスが変化する。図５及び図６に示す関係は再現性がある。これらの関係による情報を基に前記テーブルを予め作製することができ、作製したテーブルを制御装置１７に記憶させておけばよい。

なお、触知センサ２０が備えている検知部２５は、マイコン等を含む回路により構成することができ、前記制御装置１７が備えている機能を、この検知部２５が備えていてもよい。

以上のように、本実施形態（図２及び図４参照）の触知センサ２０は、弾性変形可能なシート２１と、シート２１内に設けられているコイル２３と、コイル２３と共にシート２１内に設けられている粉状又は繊維状の磁性材料２４と、コイル２３のインダクタンスの変化を検知する検知部２５（図３参照）とを備えている。この触知センサ２０によれば、シート２１を押したり曲げたりすると、シート２１と共に内部のコイル２３が変形し、この変形に応じてコイル２３のインダクタンスが変化する。インダクタンスを検知部２５が検知し、インダクタンスの変化によりシート２１の変形や負荷を検出することが可能となる。コイル２３がシート２１の面２２に平行な方向に沿ってシート２１内に埋設されていることから、シート２１のある範囲に対して連続して負荷が作用する場合、その負荷を連続的に検知することが可能となる。しかも、粉状又は繊維状の磁性材料２４により透磁率を高めてインダクタンス（インダクタンスの変化）を大きくすることができ、検知部２５による検知精度を高めることが可能となる。また、本実施形態によれば、部品数が削減され、アンドロイド１０のコスト低減に繋がる。また、軽量化の点でも優れている。

図２及び図４に示す触知センサ２０では、コイル２３がシート２１のおもて面（面２２）や裏面に設けられている（貼り付けられている）のではなく、シート２１の内部に設けられている（つまり、埋設されている）。シート２１のおもて面や裏面にコイル２３を設ける場合、面２２に対してコイル２３を接着（貼り付け）するのが困難であり、また、使用の途中でコイル２３が剥がれるおそれがある。しかし、本実施形態では、コイル２３がシート２１に埋め込まれているため、コイル２３をシート２１に安定して固定することができる。

ここで、従来のアンドロイドの場合、その皮膚部は、アンドロイドの表皮（カバー）としてのみ機能しており、また、その内側の機械部に設置されている触知センサが、触知のセンシング部として機能しており、触知センサは、皮膚部とは別の構成として設けられている。これに対して、本実施形態の触知センサ２０の場合、触知センサ２０が備えている弾性変形可能なシート２１が、図１に示すアンドロイド１０の皮膚部１２（の一部）を構成している。そして、皮膚部１２（皮膚部１２の一部を構成するシート２１）に、触知のセンシング部として機能するコイル２３が埋設されている。

図２に示す形態の場合、コイル２３は、シート２１内に網目状の配置で埋設されている。このため、シート２１が様々な態様に曲げられた場合に、その態様を検知することが可能となる。つまり、コイル２３を網目状に配置することで、取得できる情報が多くなり、シート２１の変形の形態がわかり易くなる。このようにコイル２３がシート２１内に網目状で配置されている場合、磁性材料２４は、粉状であり、シート２１内に分散して設けられているのが好ましい。この構成によれば、粉状の磁性材料２４がシート２１内に散りばめられ、各コイル２３のインダクタンスを大きくすることができる。

図４に示す形態の場合、磁性材料２４は、繊維状であってコイル２３に沿って設けられている。特に隣り合うコイル２３，２３の間隔が広い場合、これらコイル２３，２３の間であってコイル２３それぞれから離れている領域に磁性材料２４が設けられていても、インダクタンスの増大に与える影響が小さい。そこで、コイル２３，２３の間隔が広い場合、磁性材料２４を繊維状とし、コイル２３に沿って設けるのが好ましい。この構成により、コイル２３のインダクタンスを効果的に大きくすることができる。

なお、磁性材料２４の配合量は、２ｐｈｒ以上であり１０ｐｈｒ以下とすることができ、例えば、５ｐｈｒ程度である。磁性材料２４の配合量が高くなれば、インダクタンスを大きくする効果が高まるが、磁性材料２４が多くなりすぎるとシート２１が硬くなり、アンドロイド１０の皮膚部１２としては、柔軟性が低下する。

本実施形態のアンドロイド１０は、皮膚部１２の少なくとも一部が、前記構成を備えた触知センサ２０により構成されていればよい。図１に示す実施形態では、手機構１６に触知センサ２０を設けた場合について説明したが、その他の部分に触知センサ２０を設けてもよい。この構成により、触知センサ２０が備えている弾性変形可能なシート２１が、アンドロイド１０の皮膚部１２（の少なくとも一部）となる。つまり、皮膚部１２に触知のセンサ機能を持たせることができる。そして、このアンドロイド１０によれば、例えば、皮膚部１２のうち触知センサ２０を含む範囲を連続して押した場合に、その負荷を連続的に検知することが可能となる。図１に示す形態において、人間と握手した場合、その荷重を検知し、更に、その荷重の時間的変化を検知することにより、人間がどのような様子（例えば、好意的又は敵対的）で握手してきたかの判別も可能となる。

以上のように、本実施形態の触知センサ２０を備えているアンドロイド１０は、細かな触覚を取得することが可能となる。そして、触知センサ２０は全体としてシート状であるため、アンドロイド１０の皮膚部１２として用いやすい。

図２及び図４等に示す触知センサ２０をアンドロイド１０に適用する場合について説明したが、この触知センサ２０を他の用途に用いてもよい。例えば、義手等の医療機器や、自動車に搭載される各機器の触知センサとして用いることもできる。

今回開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲に記載された構成と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。
シート２１の材料は他でもよく、用途に応じて変更可能であり、必要な強度を有していると共に、耐熱性及び耐油性等に優れた材料とすることができる。

１０：アンドロイド １１：機械部 １２：皮膚部
２０：触知センサ ２１：シート ２２：面
２３：コイル ２４：磁性材料 ２５：検知部

Claims (3)

1. 外部から負荷が与えられる面を有する弾性変形可能なシートと、当該シート内に設けられているコイルと、前記コイルと共に前記シート内に設けられている繊維状の磁性材料と、前記コイルに交流電圧を印加して前記コイルのインダクタンスを検知する検知部と、を備え、
   前記コイルの中心軸は、前記面に平行な方向に沿っており、
   前記磁性材料は、前記コイルの内周側に複数本挿通されている
   触知センサ。
2. 前記コイルは、前記シート内に網目状の配置で設けられている、請求項１に記載の触知センサ。
3. 骨格を構成している機械部と、当該機械部を覆う皮膚部とを有し、前記皮膚部の少なくとも一部が、請求項１又は請求項２に記載の触知センサにより構成されている、アンドロイド。

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