JP7081793B2 - Tactile sensor - Google Patents
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Description
本発明は、触覚センサに関する。 The present invention relates to a tactile sensor.
触覚センサは、接触物の接触した位置および/または接触した力を検出する。これまで、触覚センサには、加圧力に応じてインピーダンスの変化する感圧導電性ゴムが用いられてきた(例えば、特許文献1)。この場合、触覚センサは、加圧力に応じた感圧導電性ゴムのインピーダンスの変化から、接触物の接触した位置および/または接触した力を検出する。 The tactile sensor detects the contact position and / or the contact force of the contact object. So far, pressure-sensitive conductive rubber whose impedance changes according to the applied pressure has been used for the tactile sensor (for example, Patent Document 1). In this case, the tactile sensor detects the contact position and / or the contact force of the contact object from the change in the impedance of the pressure-sensitive conductive rubber in response to the pressing force.
特許文献1に記載された触覚センサでは、感圧導電性ゴムの電気伝導率の変化に起因してインピーダンスが変化する。しかしながら、一般に、感圧導電性ゴムのインピーダンスの変化は比較的小さいため、触覚センサに対する接触物の接触を高精度には計測できなかった。 In the tactile sensor described in Patent Document 1, the impedance changes due to the change in the electric conductivity of the pressure-sensitive conductive rubber. However, in general, the change in impedance of the pressure-sensitive conductive rubber is relatively small, so that the contact of the contact object with the tactile sensor cannot be measured with high accuracy.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、接触物の接触を高精度に計測可能な触覚センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a tactile sensor capable of measuring contact of a contact object with high accuracy.
本発明による触覚センサは、検知部と、計測部とを備える。前記検知部は、第1導電体および第2導電体を有する。前記第1導電体には複数の電極が設けられる。前記第2導電体は、前記第1導電体に対向する。前記計測部は、前記電極の電位に基づいて、前記第1導電体および前記第2導電体の少なくとも一方に対する接触物の接触を計測する。 The tactile sensor according to the present invention includes a detection unit and a measurement unit. The detection unit has a first conductor and a second conductor. A plurality of electrodes are provided on the first conductor. The second conductor faces the first conductor. The measuring unit measures the contact of the contact object with at least one of the first conductor and the second conductor based on the potential of the electrode.
ある実施形態では、前記第1導電体は、前記第2導電体よりも大きく、前記第2導電体は、前記第1導電体の一部の領域に対向して配置される。 In certain embodiments, the first conductor is larger than the second conductor, and the second conductor is disposed facing a portion of the region of the first conductor.
ある実施形態では、前記第2導電体は電源と接続される。 In certain embodiments, the second conductor is connected to a power source.
ある実施形態では、前記計測部は、電位測定部と、マルチプレクサとを含む。前記電位計測部は、前記電極の電位を測定する。前記マルチプレクサは、前記電極と前記電位測定部との間の接続を順番に切り替える。 In one embodiment, the measuring unit includes a potential measuring unit and a multiplexer. The potential measuring unit measures the potential of the electrode. The multiplexer sequentially switches the connection between the electrode and the potential measuring unit.
ある実施形態では、前記計測部は、前記電極の電位に基づいて前記接触物の接触を計測する信号処理部をさらに含む。 In certain embodiments, the measurement unit further includes a signal processing unit that measures the contact of the contact object based on the potential of the electrode.
本発明によれば、触覚センサに対する接触物の接触を高精度に計測できる。 According to the present invention, the contact of a contact object with a tactile sensor can be measured with high accuracy.
以下、図面を参照して、本発明による触覚センサの実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the tactile sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
まず、図1を参照して、本発明による触覚センサ100の実施形態を説明する。図1は、本実施形態の触覚センサ100の模式図である。触覚センサ100は、接触物による接触を計測する。
First, an embodiment of the
触覚センサ100は、検知部110と計測部120とを備える。検知部110は、検知部110に対する接触物の接触を検知する。計測部120は、検知部110の検知結果に基づいて、検知部110に対する接触物の接触を計測する。
The
ここで、接触物は、特定の電位に保持されていなくてもよい。あるいは、接触物は、特定の電圧に保持された部材であってもよい。例えば、接触物は、接地電位と同じ電位に保持されてもよい。 Here, the contact material does not have to be held at a specific potential. Alternatively, the contact object may be a member held at a specific voltage. For example, the contact object may be held at the same potential as the ground potential.
接触物は、検知部110と比較的狭い領域で接触してもよい。例えば、接触物と検知部110との接触面積は1mm2であってもよい。あるいは、接触物は、検知部110と比較的広い領域で接触してもよい。例えば、検知部110の表面積に対して接触物の接触面積の割合は80%以上であってもよい。さらには、複数の接触物が検知部110と接触してもよい。
The contact object may come into contact with the
接触物が検知部110に接触した際に、検知部110の少なくとも一部が変形することが好ましい。このため、検知部110の少なくとも一部が可撓性を有することが好ましい。
It is preferable that at least a part of the
検知部110は、第1導電体112と第2導電体114とを有する。例えば、第1導電体112および第2導電体114はいずれもシート状である。第1導電体112および第2導電体114のうちの少なくとも一方は可撓性を有することが好ましい。
The
第1導電体112および第2導電体114の電気伝導率は、10-5S/m以上であることが好ましい。例えば、第1導電体112および第2導電体114の電気伝導率は、106S/m以上であってもよく、5×106S/m以上であってもよく、107S/m以上であってもよい。典型的には、第1導電体112および第2導電体114は、電気伝導率108S/m以下の一般的な材料から形成されることが好ましい。なお、第2導電体114の電気伝導率は第1導電体112の電気伝導率よりも高いことが好ましい。
The electric conductivity of the
第1導電体112と第2導電体114とは互いに重なるように配置される。なお、図1では、第1導電体112および第2導電体114のサイズは略等しいが、第1導電体112および第2導電体114のサイズは異なってもよい。第1導電体112の主面のサイズが第2導電体114の主面のサイズよりも大きくてもよい。あるいは、第1導電体112の主面のサイズが第2導電体114の主面のサイズよりも小さくてもよい。
The
第1導電体112には複数の電極112aが設けられる。例えば、電極112aは、第1導電体112の外周に沿って設けられることが好ましい。
The
図1では、第1導電体112に3つの電極112aが設けられる。ただし、第1導電体112に設けられる電極112aの数は3個以上であることが好ましく、10個以上であることがさらに好ましい。一方、計測が過度に複雑になることを避けるために、第1導電体112に設けられる電極112aの数は100個以下であることが好ましい。
In FIG. 1, three
第2導電体114は、電源Dと接続される。例えば、電源Dは直流電源である。
The
第2導電体114は、第1導電体112に対向する。第1導電体112および第2導電体114は、第1導電体112の一方の主面と第2導電体114の一方の主面とが互いに向かい合うように配置されることが好ましい。
The
触覚センサ100において、接触物は、第1導電体112および第2導電体114の少なくとも一方と接触する。例えば、接触物は、第1導電体112または第2導電体114と接触する。あるいは、接触物は、第1導電体112および第2導電体114の両方と接触する。
In the
例えば、接触物は、人間の体の一部である。典型的には、人間の指が、第1導電体112および第2導電体114の少なくとも一方と接触する。あるいは、人間の手以外の部分が、第1導電体112と第2導電体114の少なくとも一方と接触してもよい。あるいは、接触物は、機械(例えば、ロボット)であってもよい。
For example, a contact is a part of the human body. Typically, a human finger comes into contact with at least one of the
あるいは、第1導電体112または第2導電体114は接触物の一部であってもよい。例えば、人間の体の一部が第1導電体112または第2導電体114となってもよい。
Alternatively, the
複数の電極112aは、配線112bを介して計測部120と接続する。計測部120は、電極112aの電位を測定する。計測部120は、複数の電極112aの電位に基づいて接触物の接触を計測する。なお、計測部120は、複数の電極112aのすべての電位を測定することが好ましいが、複数の電極112aの一部のみの電位を測定してもよい。
The plurality of
例えば、計測部120は、第1導電体112および第2導電体114の少なくとも一方に対して接触物が接触した位置を計測する。なお、本明細書において、第1導電体112および第2導電体114の少なくとも一方に対して接触物が接触した位置を接触位置と記載することがある。典型的には、接触物は、第1導電体112および第2導電体114の重なる領域のうちのいずれかの位置で第1導電体112および第2導電体114の一方と接触する。
For example, the measuring
あるいは、計測部120は、第1導電体112および第2導電体114の少なくとも一方に対して接触物が接触した力を計測する。なお、本明細書において、第1導電体112および第2導電体114の少なくとも一方に対して接触物によって付与される力を接触力と記載することがある。
Alternatively, the measuring
計測部120が電極112aの電位を測定する際に、電極112aの1つは接地されることが好ましい。電極112aの1つを接地することにより、接触物が接触した際の電極112aの電位の変化を大きくできる。ただし、電極のいずれも接地されなくてもよい。例えば、電極の1つは特定の電圧を示す電源に接続されてもよい。
When the measuring
典型的には、検知部110が接触物と接触した際に、第1導電体112と第2導電体114とは互いに接触する。ただし、検知部110が接触物と接触した際にも、第1導電体112と第2導電体114とは互いに接触しなくてもよい。
Typically, when the
本実施形態の触覚センサ100は、スペーサ130をさらに備えることが好ましい。スペーサ130は、第1導電体112と第2導電体114との間に配置される。スペーサ130により、接触物が接触する前には、第1導電体112と第2導電体114とは接触しない。スペーサ130は絶縁材料から形成される。例えば、スペーサ130の電気伝導率は10-6S/m以下である。典型的には、スペーサ130は、電気伝導率10-18S/m以上の一般的な材料から形成されることが好ましい。
The
なお、触覚センサ100は、スペーサ130を備えなくてもよい。例えば、第1導電体112および第2導電体114のうちの少なくとも一方は、側方から支持されてもよい。あるいは、第1導電体112および第2導電体114のいずれも特定の位置に固定されなくてもよい。第1導電体112と第2導電体114とがスペーサ130を挟むことなく単純に重ねられた場合でも、接触物が第1導電体112および第2導電体114のうちの少なくとも一方に接触することにより、電極112aの電位が変更する。
The
検知部110が接触物に接触すると、第1導電体112と第2導電体114との位置関係が変化し、第1導電体112の電極112aの電位が変化する。例えば、検知部110に対する接触物の接触位置および/または接触力に応じて第1導電体112の電極112aの電位が変化する。計測部120が電極112aの電位を測定することにより、検知部110に対する接触物の接触を計測できる。
When the
本実施形態の触覚センサ100によれば、第1導電体112と第2導電体114との位置関係に応じて接触物の接触を計測する。このため、接触物の接触を高精度に計測できる。このため、本実施形態の触覚センサ100において、第1導電体112および第2導電体114は感圧性を有さなくてもよい。ただし、第1導電体112および第2導電体114が感圧性を有してもよいことは言うまでもない。
According to the
図2は、本実施形態の触覚センサ100が接触物Tの接触を計測することを説明するための模式図である。図2に示すように、接触物Tが触覚センサ100の検知部110に接触する。ここでは、接触物Tは人間の指である。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining that the
接触物Tが検知部110の第2導電体114に接触すると、第2導電体114が変形し、第2導電体114が第1導電体112に接触する。これにより、電極112aは第2導電体114を介して電源Dと電気的に接続し、電極112aの電位が変化する。計測部120は、電極112aの電位を測定する。例えば、計測部120は、電極112aの電位に基づいて接触位置および/または接触力を計測する。
When the contact object T comes into contact with the
本実施形態の触覚センサ100では、電極112aの電位が、対向する第1導電体112と第2導電体114との位置関係に応じて変化し、計測部120は、電極112aの電位に基づいて接触物Tの接触を計測する。このため、触覚センサ100に対する接触物Tの接触を高精度に計測できる。例えば、触覚センサ100は、接触位置だけでなく接触力分布を計測できる。
In the
なお、図1および図2に示した触覚センサ100では、電極112aの設けられた第1導電体112を第2導電体114よりも鉛直下方に配置したが、本発明はこれに限定されない。第2導電体114を第1導電体112よりも鉛直下方に配置してもよい。
In the
また、図1および図2に示した触覚センサ100では、電源Dは、計測部120とは別個に配置されたが、本発明はこれに限定されない。電源Dは、計測部120と一体化されてもよい。
Further, in the
また、図1および図2に示した触覚センサ100では、電源Dは、電極112aの設けられた第1導電体112ではなく、第2導電体114に接続されたが、本発明はこれに限定されない。電源Dは、電極112aの設けられた第1導電体112に接続され、第2導電体114が接地されてもよい。
Further, in the
なお、触覚センサ100によって接触物の接触を計測した計測結果は、表示されることが好ましい。例えば、触覚センサ100の計測結果は、表示装置に表示される。この場合、表示装置210は、計測結果として、接触位置および接触力を表示することが好ましい。
It is preferable that the measurement result obtained by measuring the contact of the contact with the
図3(a)は、本実施形態の触覚センサ100および表示装置210を示す模式図である。表示装置210は、触覚センサ100に接続される。詳細には、表示装置210は、触覚センサ100の計測部120と接続する。表示装置210は、触覚センサ100によって接触物の接触を計測した計測結果を表示する。
FIG. 3A is a schematic view showing the
図3(b)は、触覚センサ100の計測結果を表示する表示装置210を示す模式図である。表示装置210は、触覚センサ100の計測結果を表示する。表示装置210は、検知部110の画像を表示する。例えば、検知部110の画像は、検知部110を撮像することによって生成できる。
FIG. 3B is a schematic diagram showing a
表示装置210は、検知部110とともに、検知部110と接触物との接触した接触位置Tpを示す画像を表示する。ここでは、接触位置Tpは、検知部110のほぼ中央に位置する。
The
また、表示装置210は、検知部110および接触位置Tpとともに接触力を示す画像を表示することが好ましい。ここでは、表示装置210は、触覚センサ100上の接触力の大きさに応じて異なる色を付して表示する。したがって、表示装置210は、触覚センサ100の計測結果に基づいて、触覚センサ100上の接触力分布を表示してもよい。なお、表示装置210は、触覚センサ100の計測結果に基づいて、触覚センサ100上の電位分布を表示してもよい。
Further, it is preferable that the
図1および図2を参照して上述したように、触覚センサ100において、計測部120は、電極112aの電位から、接触物と検知部110との接触位置および/または接触力を計測できる。計測部120は、変換テーブルを用いて、電極112aの電位から接触位置および/または接触力を計測する。
As described above with reference to FIGS. 1 and 2, in the
変換テーブルは、シミュレーションによって求められる。変換テーブルは、行列形式で表される。シミュレーションでは、検知部110の任意の接触位置において任意の大きさの接触電位が発生したことを入力し、そのときの電極112aの電位を出力する。接触位置および接触電位を示す入力と電極112aの電位を示す出力との関係を利用することで、計測部120は、電極112aの電位に基づいて、接触物の接触位置および接触電位を計測できる。
The conversion table is obtained by simulation. The conversion table is represented in matrix format. In the simulation, it is input that a contact potential of an arbitrary magnitude is generated at an arbitrary contact position of the
次に、検知部110における任意の接触位置において任意の大きさの接触電位を示す入力と、電極112aの電位を示す出力との関係を説明する。
Next, the relationship between the input showing the contact potential of an arbitrary magnitude at the arbitrary contact position in the
まず、検知部110をデータ化する。検知部110のデータ化は、検知部110を撮像することによって行われてもよい。
First, the
ここで、図4を参照して検知部110のデータ化を説明する。図4(a)~図4(c)は、検知部110のデータ化を説明するための模式図である。
Here, data conversion of the
まず、図4(a)に示すように、検知部110を用意する。ここで、検知部110は、図1および図2に示したように第1導電体112と第2導電体114とを互いに重ねたものであってもよい。あるいは、検知部110として、電極112aの設けられた第1導電体112のみを用意してもよい。
First, as shown in FIG. 4A, the
次に、図4(b)に示すように、検知部110の画像データを生成し、画像データ上で電極112aを特定する。表示装置は、検知部110の画像データに基づいて検知部110の画像を表示できる。
Next, as shown in FIG. 4B, the image data of the
例えば、検知部110を撮像することで検知部110の画像データを生成できる。この場合、検知部110の撮像は、画像データが電極112aに対応するデータを含むように行われる。なお、撮像は、検知部110の第1導電体112および第2導電体114を重ねた状態で行われてもよい。あるいは、撮像は、第2導電体114を重ねることなく第1導電体112単体で行われてもよい。
For example, the image data of the
次に、図4(c)に示すように、画像データ上の検知部110に複数のメッシュ要素mを割り当てる。メッシュ要素mは、検知部110の画像に対して3次元状に割り当てられる。
Next, as shown in FIG. 4C, a plurality of mesh elements m are assigned to the
その後、シミュレーションにより、検知部110の画像に割り当てられたメッシュ要素mの任意の位置において任意の大きさの接触電位を入力し、電極112aの電位を出力として求める。なお、上記入力と上記出力との関係は、電位分布の従うラプラス方程式に従って求められる。
Then, by simulation, a contact potential of an arbitrary size is input at an arbitrary position of the mesh element m assigned to the image of the
電位分布の従うラプラス方程式は式(1)で表される。 The Laplace equation that the potential distribution follows is expressed by Eq. (1).
ここで、σは電気伝導率を示し、uは電位を示す。検知部110の形状に基づき、上記式(1)を有限要素法で定式化して連立方程式を構成する。ここでは、検知部110に割り当てられた特定のメッシュ要素mに特定の入力電位φjを入力したと仮定する。この入力電位φjから、上記式(1)を有限要素法で解くと、各メッシュ要素mの電位を求めることができる。したがって、入力電位φjから、検知部110の電位分布が求められる。なお、厳密には、各メッシュ要素mの電位は、入力電位φjだけでなく電極112aのうちの接地される電極に応じて変化する。
Here, σ indicates an electric conductivity and u indicates an electric potential. Based on the shape of the
本実施形態の触覚センサ100では、検知部110の電極112aの電位が測定される。したがって、ここでは、入力電位φjに対して求められた電極112aの出力電位uiに着目する。ここで、jは、画像データ中のメッシュ要素mの数を表し、iは、電極112aの数と電極112aのうちの接地する電極の数との積を表す。このときの計算結果から、入力電位φjに対して出力電位uiの関係はi行j列の行列Jで表すことができ、行列Jの要素Ji,jは式(2)のように表すことができる。
In the
式(2)において、Mは、電極の数と電圧印加パターンの数との積を表し、Kは、メッシュ要素の数を示す。電圧印加パターンは、電極のうちの特定の電極を接地するための電圧を印加するパターンを示す。なお、ここで、式(2)において行列Jの要素Ji,jは、電位uおよび入力電位φjの関数である一方で、電気伝導率σの関数ではないことに留意されたい。 In equation (2), M represents the product of the number of electrodes and the number of voltage application patterns, and K represents the number of mesh elements. The voltage application pattern indicates a pattern in which a voltage for grounding a specific electrode among the electrodes is applied. It should be noted here that in Eq. (2), the elements J i and j of the matrix J are functions of the potential u and the input potential φ j , but not the function of the electrical conductivity σ.
なお、電極112aのうちのすべての電極を順次接地することが好ましい。例えば、電極112aが16個の場合、電圧印加パターンの数は16個であることが好ましい。この場合、検知部110の構成が同じであっても、より高精度に計測できる。ただし、電極112aのうちの1つのみの電極を接地してもよい。
It is preferable that all the electrodes of the
上述した式(2)までの説明から、δuとδφとの関係は、行列Jを用いて式(3)のように表すことができる。 From the above description up to Eq. (2), the relationship between δu and δφ can be expressed as Eq. (3) using the matrix J.
ここで、式(3)は入力δφから出力δuを求める順問題である。このため、式(3)の逆問題となる式(4)を解ければ、出力δuから入力δφを求めることができる。 Here, the equation (3) is an order problem of obtaining the output δu from the input δφ. Therefore, if the equation (4), which is the inverse problem of the equation (3), is solved, the input δφ can be obtained from the output δu.
しかしながら、行列Jは正則ではないため、行列Jの逆行列J-1を求めることはできない。そこで、逆行列J-1に代えて、逆行列J-1に近似するティホノフの正則化法を利用する。ティホノフの正則化法によれば、逆行列J-1は、式(5)のように書き換え可能であることが知られている。 However, since the matrix J is not regular, the inverse matrix J -1 of the matrix J cannot be obtained. Therefore, instead of the inverse matrix J - 1 , Tihonov's regularization method, which approximates the inverse matrix J-1, is used. According to Tihonov's regularization method, it is known that the inverse matrix J -1 can be rewritten as in Eq. (5).
式(5)において、αは、正則化パラメータである。式(5)を用いると、式(4)は式(6)のように書き換えできる。 In equation (5), α is a regularization parameter. Using equation (5), equation (4) can be rewritten as in equation (6).
なお、式(6)において、Qは式(7)または式(8)のように表される。 In the formula (6), Q is expressed as the formula (7) or the formula (8).
以上のように、出力δuから入力δφを求めることができる。なお、ここまでの処理は、シミュレーションで行うことが可能であることに留意されたい。 As described above, the input δφ can be obtained from the output δu. It should be noted that the processing up to this point can be performed by simulation.
図1~図3に示した計測部120は、電極112aの電位を測定する。電極112aの電位の測定結果と式(6)とを利用することで、検知部110において接触物の接触に伴う接触電位を計測できる。
The measuring
上述したように、触覚センサ100は、複数の電極112aのうち接地する電極を時間ごとに切り替えることが好ましい。この場合、計測部120は、マルチプレクサを含むことが好ましい。
As described above, it is preferable that the
図5は、本実施形態の触覚センサ100を示す模式図である。上述したように、触覚センサ100は、検知部110と、計測部120とを備える。
FIG. 5 is a schematic view showing the
検知部110は、電極112aの設けられた第1導電体112と、第2導電体114とを有する。ここでは、第1導電体112の端部には、第1導電体112の外周に沿って16個の電極112aが設けられる。また、ここでは、第1導電体112は、第2導電体114よりも大きく、第2導電体114は、第1導電体112の一部の領域に対向して配置される。
The
計測部120は、電位測定部122と、信号処理部124と、マルチプレクサ126とを含む。電位測定部122は、電極112aの電位を測定する。
The measuring
信号処理部124は、電極112aの電位から接触電位を演算する。典型的には、信号処理部124は、プロセッサーを含む。例えば、プロセッサーは、中央処理装置(Central Processing Unit:CPU)であり、信号処理部124はコンピューターに実装される。
The
マルチプレクサ126は、複数の電極112aおよびグラウンドと接続する。マルチプレクサ126は、複数の電極112aとグラウンドとを切り替えて接続する。このため、マルチプレクサ126により、複数の電極112aのうち接地する電極を切り替えることができる。
The
図6は、図5に示した触覚センサ100において測定された電位の時間変化を示すグラフである。ここでは、1区画ごとに接地される電極が切り替わる。1区画は、例えば、略0.8ミリ秒である。
FIG. 6 is a graph showing the time change of the potential measured by the
例えば、時間0秒から略0.8ミリ秒において1番目の電極が接地されると、1番目の電極の電位は略ゼロとなり、2番目の電極~16番目の電極は所定の電位を示す。次に、時間略0.8ミリ秒から略1.6ミリ秒になると、2番目の電極の電位は略ゼロとなり、1番目の電極、3番目の電極~16番目の電極は所定の電位を示す。接地される電極は略0.8ミリ秒ごとに切り替わり、略13ミリ秒周期で1番目~16番目の電極のすべてが一度接地される。以上のようにして複数の電極112aの電位を測定できる。
For example, when the first electrode is grounded from 0 seconds to about 0.8 milliseconds, the potential of the first electrode becomes substantially zero, and the second electrode to the 16th electrode show a predetermined potential. Next, when the time changes from about 0.8 ms to about 1.6 ms, the potential of the second electrode becomes almost zero, and the first electrode, the third electrode to the 16th electrode have a predetermined potential. show. The grounded electrodes are switched approximately every 0.8 ms, and all of the 1st to 16th electrodes are grounded once in a cycle of approximately 13 ms. As described above, the potentials of the plurality of
なお、図5を参照した上述の説明では、複数の電極112aとグラウンドとの間にマルチプレクサが設けられる一方で、電極112aと信号処理部124とは直接接続していたが、本発明はこれに限定されない。電極112aと信号処理部124とは直接接続しなくてもよい。
In the above description with reference to FIG. 5, while a multiplexer is provided between the plurality of
次に、図7を参照して、本実施形態の触覚センサ100を説明する。図7は、本実施形態の触覚センサ100の模式図である。図7に示した触覚センサ100は、計測部120が、電位測定部122、信号処理部124およびマルチプレクサ126に加えてマルチプレクサ128をさらに含む点を除いて、図5を参照して上述した触覚センサ100と同様の構成を有している。このため、冗長を避けるために重複する記載を省略する。
Next, the
計測部120は、電位測定部122、信号処理部124およびマルチプレクサ126に加えてマルチプレクサ128をさらに含む。マルチプレクサ128は、複数の電極112aと電位測定部122とを接続する。マルチプレクサ128は、アナログデジタル変換回路を介して電位測定部122と接続する。
The measuring
マルチプレクサ128は、複数の電極112aと信号処理部124とを切り替えて接続する。電位測定部122は、時間ごとに順番に複数の電極112aの電位を測定する。このため、マルチプレクサ128により、複数の電極112aのうち電位測定部122に接続する電極を切り替えることができる。
The
この場合、電位測定部122は、複数の電極112aの電位をそれぞれ時間ごとに測定すればよく、同時に複数の電極112aの電位を測定しなくてもよい。このため、電位測定部122には電位測定素子が1つあればよく、電位測定部122のコストを低減できる。
In this case, the
ここで、図8を参照して、本実施形態の触覚センサ100において計測された接触位置と押力付与位置との誤差を説明する。図8は、本実施形態の触覚センサ100において計測された接触位置と押力付与位置との誤差を示す模式図である。ここでは、検知部110の寸法は20mm×20mmであった。また、検知部110のうちの25点に押力を付与した。
Here, with reference to FIG. 8, an error between the contact position and the pressing force applied position measured by the
図8において、●は、検知部110に押力を付与した押力付与位置を示し、×は、本実施形態の触覚センサ100において計測された接触位置を示す。本実施形態の触覚センサ100によれば、接触位置と押力付与位置との差は約0.76mmであった。
In FIG. 8, ● indicates a pressing force applying position where the pressing force is applied to the
なお、一般に、感圧導電性ゴムを用いた触覚センサで接触位置と押力付与位置との差を測定した結果、接触位置と押力付与位置との差は数ミリオーダであることが知られている。このことから、本実施形態の触覚センサ100によれば、触覚センサ100に対する接触を高精度に計測できることが示された。
In general, as a result of measuring the difference between the contact position and the pressing force application position with a tactile sensor using pressure-sensitive conductive rubber, it is known that the difference between the contact position and the pressing force application position is on the order of several milliorders. There is. From this, it was shown that the
なお、触覚センサ100は、接触位置だけでなく接触力を計測することが好ましい。上述したように、電極112aの電位から接触電位を計測できる。このため、接触電位と接触力との関係から、電極112aの電位に基づいて接触力を計測できる。
The
本実施形態の触覚センサ100は、接触電位から接触力を計測する。計測部120(図1から図3)は、変換テーブルを用いて電極112aの電位から接触力を計測できる。
The
変換テーブルは、電極112aの電位と接触力との関係を示す。変換テーブルは、触覚センサ100を用いた実験によって求められる。ここでは、接触物として力覚センサを取り付けた金属片を用いた。金属片に付与する押力を0Nから18Nまで5回増減させて、電極の電位を測定した。なお、電極の電位は接触電位に変換した。
The conversion table shows the relationship between the potential of the
以下、図9を参照して、接触電位と接触力との関係を説明する。図9は、本実施形態の触覚センサ100における接触力と接触電位との関係を示すグラフである。
Hereinafter, the relationship between the contact potential and the contact force will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the contact force and the contact potential in the
図9では、実験で求めた接触力と接触電位との間の関係を回帰式で表した実線を示している。図9に示すように、接触力が3N~10Nである範囲では、接触電位は0.0005V~0.0025Vまで徐々に増加した。一方で、接触力が10Nを超えても、接触電位は略0.0025Vであり、接触電位の変化はほどんど見られなかった。したがって、ここでは、接触電位0.0005V~0.002Vの範囲では、接触力が3N~10Nとなることを計測できた。 FIG. 9 shows a solid line expressing the relationship between the contact force and the contact potential obtained in the experiment by a regression equation. As shown in FIG. 9, the contact potential gradually increased from 0.0005V to 0.0025V in the range where the contact force was 3N to 10N. On the other hand, even if the contact force exceeded 10 N, the contact potential was approximately 0.0025 V, and almost no change in the contact potential was observed. Therefore, here, it was possible to measure that the contact force is 3N to 10N in the range of the contact potential of 0.0005V to 0.002V.
なお、式(1)~式(8)を参照して上述したように、電極112aの電位から検知部110の電位分布を求めることができる。また、図9を参照して上述したように、検知部110の電位分布は接触力に変換できる。ただし、検知部110の電位分布を単純に接触力に変換することは好ましくない。
As described above with reference to the equations (1) to (8), the potential distribution of the
以下に、図10を参照して、検知部110の電位分布からの接触力の決定について説明する。
Hereinafter, the determination of the contact force from the potential distribution of the
図10(a)は、検知部110の電位を単純に接触力に変換したことを示す模式的なグラフである。検知部110の電位は接触電位から滑らかに変化するため、検知部110の電位を単純に力に変換してしまうと、検知部110に付与された力も、図10(a)に示すように、接触位置から離れるにしたがって滑らかに変化することになる。
FIG. 10A is a schematic graph showing that the potential of the
一般に、検知部110の電位は接触位置から滑らかに変化する。一方で、検知部110に付与される力は、接触位置から滑らかに変化するわけではない。検知部110に付与される力は、検知部110の特定の範囲に付与される。したがって、検知部110に付与される力は、閾値を用いて、閾値以下の値はベース値と同じになるように変換して求めることが好ましい。
Generally, the potential of the
図10(b)は、検知部110の電位を接触力に変換した後で、閾値を用いて演算処理をした結果を示す模式的なグラフである。図10(b)に示すように、検知部110の電位を単純に力に変換した後で、接触力(ピーク値)から所定の値以下の値をベース値と同じになるように変換することで、実際の押力に相当する接触力分布を得ることができる。なお、所定の値は、例えば、70%であってもよく、80%であってもよく、90%であってもよい。
FIG. 10B is a schematic graph showing the result of arithmetic processing using a threshold value after converting the potential of the
なお、本実施形態の触覚センサ100における検知部110は種々の形状にで作製してもよい。
The
図11は、本実施形態の触覚センサ100における検知部110の一例を示す模式図である。図11に示すように、複数のスペーサ130が、同一方向に平行に配列されてもよい。これにより、接触物が接触する前に第2導電体114が第1導電体112に接触することを抑制するとともに、接触物の接触に伴って第2導電体114が第1導電体112に接触するように第2導電体114の変形を容易にできる。
FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of the
なお、図1~図3および図11を参照した上述の説明では、第1導電体112および第2導電体114は平面状であったが、本発明はこれに限定されない。第1導電体112および第2導電体114の少なくとも一方は曲面状であってもよい。
In the above description with reference to FIGS. 1 to 3 and 11, the
また、第1導電体112および第2導電体114のいずれかは、計測対象物に導電性塗料を塗布することで形成されてもよい。さらに、電極112aと第1導電体112とは接着剤を介して接着されてもよい。
Further, either the
図12(a)~図12(d)は、本実施形態の触覚センサにおける検知部110の作製方法を示す模式図である。
12 (a) to 12 (d) are schematic views showing a method of manufacturing the
まず、図12(a)に示すように、被計測物を用意する。ここでは、被計測物は人間の指の先端を模した部材である。 First, as shown in FIG. 12 (a), an object to be measured is prepared. Here, the object to be measured is a member that imitates the tip of a human finger.
次に、図12(b)に示すように、被計測物に導電性塗料を塗布する。例えば、導電性塗料は、樹脂および導電性フィラーを含有する。例えば、樹脂は、エポキシ系樹脂である。また、導電性フィラーは、導電性カーボンまたは金属酸化物を含む。導電性塗料が乾燥すると、導電性塗料は第1導電体112になる。
Next, as shown in FIG. 12B, the conductive paint is applied to the object to be measured. For example, conductive paints contain resins and conductive fillers. For example, the resin is an epoxy resin. The conductive filler also contains conductive carbon or metal oxide. When the conductive paint dries, the conductive paint becomes the
次に、図12(c)に示すように、第1導電体112の端部を囲むように第1導電体112に電極112aを取りつける。電極112aは、導電性接着剤を用いて第1導電体112に接着される。なお、電極112aは、配線112bを介して計測部120(図1および図2)に接続する。
Next, as shown in FIG. 12 (c), the
次に、図12(d)に示すように、第1導電体112の中央部と重なるように第2導電体114を接着する。例えば、第2導電体114の裏面の外周に沿って接着剤を付与し、第2導電体114を第1導電体112に貼り付けてもよい。検知部110は、図12(a)~図12(d)に示すように作製できる。
Next, as shown in FIG. 12 (d), the
本実施形態の触覚センサ100は、種々の用途に適用可能である。例えば、本実施形態の触覚センサ100は、産業用ロボットのハンドアームに取り付けられてもよい。また、触覚センサ100は、バーチャルリアリティシステムの触覚検知システムに用いられてもよい。触覚センサ100は、情報入力装置(例えば、スマートフォンまたはタブレット情報機器)のユーザインターフェースに用いられてもよい。さらには、触覚センサ100は、義手の先端に取り付けられてもよい。さらに、触覚センサ100は、ベッドまたは布団に取り付けられ、人間の睡眠状態を検知するために用いられてもよい。
The
また、本実施形態の触覚センサ100は、作業者支援システムの圧力検知のために用いられてもよい。また、触覚センサ100は、製造物または素材の感触評価のために用いられてもよい。
Further, the
また、触覚センサ100は、研究用途にも適用できる。例えば、触覚センサ100は、人間の触覚機能の解析および解明のために利用されてもよい。触覚センサ100は、医療またはスポーツにおける動作解析のために利用されてもよい。また、触覚センサ100は、遠隔診断または遠隔手術システムの一部として利用されてもよい。あるいは、触覚センサ100は、ゲームのコントローラの一部に利用されてもよい。
The
以上、図面(図1~図12)を参照しながら本発明の実施形態について説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施形態として実施することが可能である。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明の形成が可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の個数等は、図面作成の都合から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果を実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings (FIGS. 1 to 12). However, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented as an embodiment in various embodiments without departing from the gist thereof. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining the plurality of components disclosed in the above embodiments. For example, some components may be removed from all the components shown in the embodiments. In order to make the drawings easier to understand, each component is schematically shown, and the number of each component shown may differ from the actual one due to the convenience of drawing. Further, each component shown in the above embodiment is an example, and is not particularly limited, and various modifications can be made without substantially deviating from the effect of the present invention.
本実施形態の触覚センサは、種々の用途に適用可能である。 The tactile sensor of this embodiment can be applied to various applications.
100 触覚センサ
110 検知部
120 計測部
100
Claims (5)
前記第1導電体および前記第2導電体の少なくとも一方に対して接触物が接触することによって前記第1導電体と前記第2導電体とが接触することにより、前記電極の電位に基づいて、前記第1導電体および前記第2導電体の少なくとも一方に対する前記接触物の接触を計測する計測部と
を備える、触覚センサ。 A first conductor provided with a plurality of electrodes, and a detection unit having a second conductor separated from the first conductor and facing the first conductor.
Based on the potential of the electrode, the first conductor and the second conductor come into contact with each other due to the contact with at least one of the first conductor and the second conductor . A tactile sensor comprising a measuring unit for measuring contact of the contact object with at least one of the first conductor and the second conductor.
前記第2導電体は、前記第1導電体の一部の領域に対向して配置される、請求項1に記載の触覚センサ。 The first conductor is larger than the second conductor,
The tactile sensor according to claim 1, wherein the second conductor is arranged so as to face a part of the region of the first conductor.
前記電極の電位を測定する電位測定部と、
前記電極と前記電位測定部との間の接続を順番に切り替えるマルチプレクサとを含む、請求項1から3のいずれかに記載の触覚センサ。 The measuring unit
A potential measuring unit that measures the potential of the electrode,
The tactile sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a multiplexer that sequentially switches the connection between the electrode and the potential measuring unit.
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