JP7254433B2 - ロボットハンドの触覚センサ付き指およびこれを用いた触覚センサ付きロボットハンド - Google Patents
ロボットハンドの触覚センサ付き指およびこれを用いた触覚センサ付きロボットハンド Download PDFInfo
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Description
本発明は、指部の掌面以外の部分に把持対象物が接触することに起因する破損や故障を抑制できる、ロボットハンドの触覚センサ付き指に関する。
現在、製造業だけでなくサービス産業やヘルスケア産業など幅広い分野で、ロボットが活躍している。これらのロボットには、人間と同様に、さまざまな物体を持って運んだり、道具を掴んで作業したりできるように、ロボットハンドを備えているものが多い。
ロボットハンドにおいては、把持力はもちろん、把持対象物を把持する指部の掌面に生じたせん断力などの各種接触状態を計測する必要がある。例えば、ロボットハンドが把持対象物から受ける剪断力を検出することにより、ロボットハンドが把持対象物を落とさずに把持するのに必要な最低限の把持力を求めることができる。
そこで、特許文献１では、３分力を測定できる触覚センサをロボットハンドの指部の掌面に設けることが提案されている。
そこで、特許文献１では、３分力を測定できる触覚センサをロボットハンドの指部の掌面に設けることが提案されている。
しかし、上記特許文献１に図示されるロボットハンドの例では、２本の指部の形状が直方体形状をしており、直方体の６つの面のうち掌面となる１つの広面積面のみに触覚センサ本体の感圧エリアが設けられているため、種々の問題がある。
例えば、所定位置に載置されている球状の把持対象物Ｗに対してロボットハンド１１を下降させたとき、把持対象物Ｗが転がって所定位置から位置ズレすると、指部２の先端面２１ｃが把持対象物Ｗに当たることがある（図１８参照）。このとき、ロボットハンド１１は、指部２の先端面２１ｃと把持対象物Ｗとの接触を検知できない。その結果、ロボットハンド１１が把持対象物Ｗを把持する位置までそのまま下降を続け、ロボットハンド１１と把持対象物Ｗとの間に必要以上の負荷がかかるため、把持対象物Ｗの破損またはロボットハンド１１の故障が生じる。
また、別の例としては、木の枝のような複雑な形状の把持対象物Ｗに対してロボットハンド１１の２本の指部２を両側から接近させたとき、指部２の両掌面２１ａに把持対象物Ｗが当たる前に、指部２の側面２１ｄに把持対象物Ｗが当たることがある（図１９参照）。このとき、ロボットハンド１１は、指部２の側面２１ｄと把持対象物Ｗとの接触を検知できない。その結果、２本の指部２が把持対象物Ｗの両側からさらに接近をし続け、ロボットハンド１１と把持対象物Ｗとの間に必要以上の負荷がかかるため、やはり把持対象物Ｗの破損またはロボットハンド１１の故障が生じる。
したがって、本発明は、上記の課題を解決し、触覚センサ付きロボットハンドの使用時に、指部の掌面以外の部分に把持対象物が接触することに起因する破損や故障を抑制できる、ロボットハンドの触覚センサ付き指を提供することを目的とする。
以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明のロボットハンドの触覚センサ付き指は、把持対象物を把持するロボットハンドの指であって、指部と触覚センサ本体とを備えている。指部は、把持対象物に接触する掌面を有する。また、指部は、掌面と反対側の背面を有する。また、指部は、掌面および背面の延在方向の先端で掌面および背面と隣接する先端面を有する。また、指部は、掌面および背面の延在方向に交差する方向で掌面および背面と隣接する両方の側面とを有する。触覚センサ本体は、指部を構成する筐体外面に貼合されたフィルム状物であり、掌面と、先端面および２つの側面のうちの少なくとも1つとに跨って重なる感圧エリアを有する。
このような構成を備えるロボットハンドの触覚センサ付き指は、指部の先端面や側面まで感圧エリアを拡大して触覚センサ本体を備えているので、指部の先端面や側面と把持対象物との接触を検知できる。その結果、指部の掌面以外の部分に把持対象物が接触することに起因する破損や故障を抑制できる。
また、１つの態様として、触覚センサ本体が、第１基材フィルム上に第１電極パターンが設けられた第１電極フィルムと、第１基材フィルムに対向する第２基材フィルム上に第２電極パターンが設けられた第２電極フィルムと、第１電極フィルムと第２電極フィルムとの間に挟まれた絶縁体とを備えた静電容量式感圧センサであり、
第１基材フィルム側が指部に貼合されていると好適である。
上記構成により、触覚センサ本体は薄膜パターンの電極が絶縁体を介して積層されただけの単純な構造であるので、指部を構成する筐体外面の複数面に沿って立体的に貼合しても、触覚センサ本体の検出機能を十分に発揮することができる。
第１基材フィルム側が指部に貼合されていると好適である。
上記構成により、触覚センサ本体は薄膜パターンの電極が絶縁体を介して積層されただけの単純な構造であるので、指部を構成する筐体外面の複数面に沿って立体的に貼合しても、触覚センサ本体の検出機能を十分に発揮することができる。
また、１つの態様として、第１基材フィルム、第２基材フィルムの引張弾性率をそれぞれＥ１、Ｅ２、第１基材フィルム、第２基材フィルムの厚みをそれぞれｔ１、ｔ２としたとき、Ｅ１×ｔ１＞Ｅ２×ｔ２の関係にあると好適である。
上記構成により、指部側となる第１基材フィルムが外側となる第２基材フィルムよりも硬いので、指部を構成する筐体外面に沿ってフィルム状の触覚センサ本体を立体的に貼合しても、触覚センサ本体の寸法変化が起きにくい。したがって、検出精度が向上する。
上記構成により、指部側となる第１基材フィルムが外側となる第２基材フィルムよりも硬いので、指部を構成する筐体外面に沿ってフィルム状の触覚センサ本体を立体的に貼合しても、触覚センサ本体の寸法変化が起きにくい。したがって、検出精度が向上する。
また、１つの態様として、指部の掌面、先端面および２つの側面のうちの少なくとも1つが、複数面で構成され且つ感圧エリアと重なっていると好適である。
上記構成により、より多くの面に感圧エリアを設けることで、把持対象物との多様な接触状態を計測することができる。
上記構成により、より多くの面に感圧エリアを設けることで、把持対象物との多様な接触状態を計測することができる。
また、１つの態様として、触覚センサ本体が、指部を構成する筐体外面に沿わない部分を除いた展開パターンを有していると好適である。
上記構成により、触覚センサ本体として不要な部分が折り曲げを妨げることがないので、フィルム状の触覚センサ本体を指部の外面に沿わせて折り曲げやすくなる。
上記構成により、触覚センサ本体として不要な部分が折り曲げを妨げることがないので、フィルム状の触覚センサ本体を指部の外面に沿わせて折り曲げやすくなる。
また、１つの態様として、触覚センサ本体の感圧エリアが、触覚センサ本体の折り曲げられた形状に合わせて、複数に分割されていると好適である。
上記構成により、感圧エリアが２つ以上の面に跨って連続して存在しないので、検出される力の３次元ベクトルがどの向きかを正しく測定できる。
上記構成により、感圧エリアが２つ以上の面に跨って連続して存在しないので、検出される力の３次元ベクトルがどの向きかを正しく測定できる。
また、１つの態様として、触覚センサ本体が保護層で被覆されており、触覚センサ本体の感圧エリアより外側の不感圧エリアに面するように、保護層の触覚センサ本体側が切り欠かれて切欠部が設けられていると好適である。
上記構成により、感圧エリアの外側において把持対象物と指部とが接触したときに、不感圧エリアに面するように、保護層の触覚センサ本体側に切欠き部が設けられているため、切欠き部の空間によって保護層が大きく変形する。その結果、触覚センサ本体の不感圧エリアに近い感圧エリアにも変形が及ぶため、不感圧エリアにおける把持対象物と指部との接触を検出することができる。
上記構成により、感圧エリアの外側において把持対象物と指部とが接触したときに、不感圧エリアに面するように、保護層の触覚センサ本体側に切欠き部が設けられているため、切欠き部の空間によって保護層が大きく変形する。その結果、触覚センサ本体の不感圧エリアに近い感圧エリアにも変形が及ぶため、不感圧エリアにおける把持対象物と指部との接触を検出することができる。
また、１つの態様として、切欠き部の空間が、保護層よりも柔らかいクッション層で埋まっていると好適である。
上記構成により、切り欠き部があることによる触覚センサ本体の耐久性劣化を最小限に抑えることができる。
上記構成により、切り欠き部があることによる触覚センサ本体の耐久性劣化を最小限に抑えることができる。
また、１つの態様として、指部の触覚センサ本体が貼合されていない部分が、部分的または全体的に拡張された保護層で被覆されていると好適である。
上記構成により、触覚センサ本体の保護だけでなく、指部の保護エリアを拡大できる。
上記構成により、触覚センサ本体の保護だけでなく、指部の保護エリアを拡大できる。
また、１つの態様として、触覚センサ本体が、掌面と先端面とに跨って重なる感圧エリアを有する構成において、触覚センサ本体全面および指部の２つの側面の一部又は全部が連続して保護層で被覆されており、保護層が、指部の掌面上で且つ触覚センサ本体の感圧エリアを被覆する部分において、指部の掌面と２つの側面との境界付近を被覆する部分よりも、厚み方向に突出した突出部を有していると好適である。
上記構成により、触覚センサ本体の保護だけでなく、指部の保護エリアを拡大できる。
また、保護層が、指部の掌面上で且つ触覚センサ本体の感圧エリアを被覆する部分において厚み方向に突出しているので、指部の掌面と２つの側面との境界付近で把持対象物が接触するより前に、感圧エリアで把持対象物を検知できる。
なお、先に述べた切り欠き部を保護層の触覚センサ本体側に設ける構成と比べて、保護層の形成が容易である。例えば、インサート成形などで形成できる。
上記構成により、触覚センサ本体の保護だけでなく、指部の保護エリアを拡大できる。
また、保護層が、指部の掌面上で且つ触覚センサ本体の感圧エリアを被覆する部分において厚み方向に突出しているので、指部の掌面と２つの側面との境界付近で把持対象物が接触するより前に、感圧エリアで把持対象物を検知できる。
なお、先に述べた切り欠き部を保護層の触覚センサ本体側に設ける構成と比べて、保護層の形成が容易である。例えば、インサート成形などで形成できる。
また、本発明の触覚センサ付きロボットハンドは、上記したいずれかに記載のロボットハンドの触覚センサ付き指を複数本備え、さらに、これらの指部の後端を支持する支持部と、把持対象物を把持又は解放するように指部を駆動する駆動部と、を備えている。
１つの態様として、指部を２本備え、これらの指部が、掌面どうしが向き合うように配置され、指部の各々が無関節で、平行な掌面どうしが接近することにより把持対象物を把持するようにしていると好適である。
本発明のロボットハンドの触覚センサ付き指は、これを用いた触覚センサ付きロボットハンドの使用時に、指部の掌面以外の部分に把持対象物が接触することに起因する破損や故障を抑制できる。
以下、本発明の触覚センサ付き指を用いたロボットハンドを図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る触覚センサ付き指を用いたロボットハンド１を備えたロボット１００を示す側面である。
図１は、本発明の第１実施形態に係る触覚センサ付き指を用いたロボットハンド１を備えたロボット１００を示す側面である。
（１）ロボット本体
図１に示すように、ロボット本体１００ は、水平多関節ロボット（スカラロボット）であって、基台１１０と、基台１１０に対して回動可能に接続されているアーム１２０と、を有している。また、アーム１２０は、関節機構を介して基台１１０に垂直軸まわりに回動可能に接続されている第１アーム１３０と、関節機構を介して第１アーム１３０に垂直軸まわりに回動可能に接続されている第２アーム１４０と、第２アーム１４０の先端部に設けられている作業ヘッド１５０と、を有している。そして、作業ヘッド１５０の下端部に触覚センサ付き指を用いたロボットハンド１が取りつけられている。作業ヘッド１５０は、ロボットハンド１を垂直軸回りに回動可能であり、かつ、上下方向に昇降可能である。
図１に示すように、ロボット本体１００ は、水平多関節ロボット（スカラロボット）であって、基台１１０と、基台１１０に対して回動可能に接続されているアーム１２０と、を有している。また、アーム１２０は、関節機構を介して基台１１０に垂直軸まわりに回動可能に接続されている第１アーム１３０と、関節機構を介して第１アーム１３０に垂直軸まわりに回動可能に接続されている第２アーム１４０と、第２アーム１４０の先端部に設けられている作業ヘッド１５０と、を有している。そして、作業ヘッド１５０の下端部に触覚センサ付き指を用いたロボットハンド１が取りつけられている。作業ヘッド１５０は、ロボットハンド１を垂直軸回りに回動可能であり、かつ、上下方向に昇降可能である。
（２）ロボットハンド１
以下、このようなロボットハンド１について詳細に説明する。
本実施形態の触覚センサ付き指を用いたロボットハンド１は、図２に示すように、触覚センサ付き指１Ｆを２本備えている。各々の触覚センサ付き指１Ｆは、指部２と、指部２を構成する筐体２１外面に貼合された触覚センサ本体５とを備える。また、２本の指部２の後端を支持する支持部３と、指部２を駆動する駆動部４とを備えている。駆動部４は、２本の指部２を互いに近づく向きと離れる向きとに可動させることができる。これにより、ロボットハンド１ は、把持対象物Ｗを把持したり、把持している把持対象物Ｗを解放したりすることができる。また、ロボットハンド１全体は、必要に応じて上下移動や回転も可能である。
なお、把持対象物Ｗとしては、特に限定されず、例えば、種々の工業製品や農作物、様々な大きさ・形状を有するものや、正確な形状が不明なものなどが挙げられる。
以下、このようなロボットハンド１について詳細に説明する。
本実施形態の触覚センサ付き指を用いたロボットハンド１は、図２に示すように、触覚センサ付き指１Ｆを２本備えている。各々の触覚センサ付き指１Ｆは、指部２と、指部２を構成する筐体２１外面に貼合された触覚センサ本体５とを備える。また、２本の指部２の後端を支持する支持部３と、指部２を駆動する駆動部４とを備えている。駆動部４は、２本の指部２を互いに近づく向きと離れる向きとに可動させることができる。これにより、ロボットハンド１ は、把持対象物Ｗを把持したり、把持している把持対象物Ｗを解放したりすることができる。また、ロボットハンド１全体は、必要に応じて上下移動や回転も可能である。
なお、把持対象物Ｗとしては、特に限定されず、例えば、種々の工業製品や農作物、様々な大きさ・形状を有するものや、正確な形状が不明なものなどが挙げられる。
（３）指部２
図３は、第１実施形態に係るロボットハンド１の触覚センサ付き指１Ｆの一例を示す図である。図３（ａ）は、触覚センサ付き指１Ｆを指部２の掌面２１ａ側から見た図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡＡ線断面である。
各々の指部２は、持対象物Ｗに接触（ロボットハンドとしては持対象物Ｗを把持）する掌面２１ａと、掌面２１ａと反対側の背面２１ｂと、掌面２１ａおよび背面２１ｂの延在方向Ｘの先端で掌面２１ａおよび背面２１ｂと隣接する先端面２１ｃと、掌面２１ａおよび背面２１ｂの延在方向Ｘに交差する方向Ｙで掌面２１ａおよび背面２１ｂと隣接する両方の側面２１ｄ，２１ｄとを各々有する、おおよそ直方体の筐体２１で構成される。また、筐体２１は、樹脂または金属製である。
また、各々の指部２は、図２および図３に示すよう例では、無関節である。したがって、触覚センサ付き指１Ｆは、平行な掌面２１ａどうしが接近することにより把持対象物Ｗを把持する。
図３は、第１実施形態に係るロボットハンド１の触覚センサ付き指１Ｆの一例を示す図である。図３（ａ）は、触覚センサ付き指１Ｆを指部２の掌面２１ａ側から見た図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡＡ線断面である。
各々の指部２は、持対象物Ｗに接触（ロボットハンドとしては持対象物Ｗを把持）する掌面２１ａと、掌面２１ａと反対側の背面２１ｂと、掌面２１ａおよび背面２１ｂの延在方向Ｘの先端で掌面２１ａおよび背面２１ｂと隣接する先端面２１ｃと、掌面２１ａおよび背面２１ｂの延在方向Ｘに交差する方向Ｙで掌面２１ａおよび背面２１ｂと隣接する両方の側面２１ｄ，２１ｄとを各々有する、おおよそ直方体の筐体２１で構成される。また、筐体２１は、樹脂または金属製である。
また、各々の指部２は、図２および図３に示すよう例では、無関節である。したがって、触覚センサ付き指１Ｆは、平行な掌面２１ａどうしが接近することにより把持対象物Ｗを把持する。
（４）触覚センサ本体５
触覚センサ本体５は、図３に示すように、指部２を構成する筐体２１外面に貼合されたフィルム状物である。また、図３に示す例では、触覚センサ本体５は、指部２の掌面２１ａと、先端面２１ｃに跨って重なる感圧エリア５ａを有する。
触覚センサ本体５は、図３に示すように、指部２を構成する筐体２１外面に貼合されたフィルム状物である。また、図３に示す例では、触覚センサ本体５は、指部２の掌面２１ａと、先端面２１ｃに跨って重なる感圧エリア５ａを有する。
触覚センサ本体５は、感圧エリア５ａにて押す力（圧力）と滑る力（摩擦力）を検出する３軸力覚センサである。ロボットハンド１の指部２に実装することで、把持対象物Ｗを握る力だけでなく、”ねじる”、”押し込む”、”引っ張る”などの動作の大きさを測定することが可能になる。
図４は、第１実施形態に係る指部２に貼合された触覚センサ本体５の構成の一例を示す図である。触覚センサ５が貼合された指部２の破線で囲まれた領域を部分拡大して描いている。
触覚センサ本体５は、例えば、図４に示すように、第１基材フィルム５１上に第１電極５２が設けられた第１電極フィルム５３と、第１基材フィルム５１に対向する第２基材フィルム５４上に第２電極５５が設けられた第２電極フィルム５６と、第１電極フィルム５１と第２電極フィルム５４との間に挟まれた絶縁体５７とを備えた静電容量式感圧センサとすることができる。
なお、第１電極５２と第２電極５５とによって検知可能な領域が感圧エリア５ａである。また、感圧エリア５ａの外側に第１電極５２や第２電極５５と接続された配線パターンが形成された不感圧エリア５ｂが存在する。
この静電容量式感圧センサを、第１基材フィルム５１側を接着層６にて指部２に貼合させる。
触覚センサ本体５は、例えば、図４に示すように、第１基材フィルム５１上に第１電極５２が設けられた第１電極フィルム５３と、第１基材フィルム５１に対向する第２基材フィルム５４上に第２電極５５が設けられた第２電極フィルム５６と、第１電極フィルム５１と第２電極フィルム５４との間に挟まれた絶縁体５７とを備えた静電容量式感圧センサとすることができる。
なお、第１電極５２と第２電極５５とによって検知可能な領域が感圧エリア５ａである。また、感圧エリア５ａの外側に第１電極５２や第２電極５５と接続された配線パターンが形成された不感圧エリア５ｂが存在する。
この静電容量式感圧センサを、第１基材フィルム５１側を接着層６にて指部２に貼合させる。
触覚センサ本体５は薄膜パターンの電極が絶縁体を介して積層されただけの単純な構造であるので、指部を構成する筐体外面の複数面に沿って立体的に貼合しても、触覚センサ本体の検出機能を十分に発揮することができる。
第１基材フィルム５１および第２基材フィルム５４の材質としては、ウレタン、エポキシ、シリコーンなどのゴムシートや、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド（ＰＩ）などの合成樹脂フィルムなどが挙げられる。
第１基材フィルム５１および第２基材フィルム５４の厚みは０．０３μｍ～０．５ｍｍである。このように、合計厚さ１ｍｍ以下の薄くて柔軟なフィルムを基材に使用しているので、ロボットハンド１の指部２の表面に違和感なく実装することができる。
ところで、第１基材フィルム５１、第２基材フィルム５４の引張弾性率をそれぞれＥ１、Ｅ２、第１基材フィルム５１、第２基材フィルム５４の厚みをそれぞれｔ１、ｔ２としたとき、Ｅ１×ｔ１＞Ｅ２×ｔ２の関係にするのが好ましい。
上記構成により、指部２側となる第１基材フィルム５１が外側となる第２基材フィルム５４よりも硬いので、指部２を構成する筐体外面に沿ってフィルム状の触覚センサ本体５を立体的に貼合しても、触覚センサ本体５の寸法変化が起きにくい。したがって、検出精度が向上する。
上記構成により、指部２側となる第１基材フィルム５１が外側となる第２基材フィルム５４よりも硬いので、指部２を構成する筐体外面に沿ってフィルム状の触覚センサ本体５を立体的に貼合しても、触覚センサ本体５の寸法変化が起きにくい。したがって、検出精度が向上する。
なお、本発明でいう引張弾性率は、第１基材フィルム５１や第２基材フィルム５４をダンベル１号試験片の形状にカットし、微小な変位測定が可能な非接触方式の伸び幅計を使用して、ＪＩＳＫ７１２７およびＪＩＳＫ７１６１に準拠した引張試験の方法にて、第１基材フィルム５１や第２基材フィルム５４が受けた引張応力を第１基材フィルム５１や第２基材フィルム５４に生じたひずみで除した値のことを指す。
静電容量式感圧センサの第１電極５２および第２電極５５のパターンは、下記の各パターン例のほか、公知のパターンを用いることができる。
＜パターン例１＞
第１電極５２および第２電極５５としては、線状パターンからなり、それらが平面視において同じ方向に伸びたパターンの態様が挙げられる（図示せず）。第１電極５２と第２電極５５とが同じ方向に伸びた線状パターンからなるようにすることで、第２電極５５の伸びた一方向と交差する角度の方向から力が加わった際に、その力の大きさに応じて第２電極５５が変形し、第１電極５２との間の距離が変化し、第１電極５２と第２電極５５との間の静電容量値が変化する際の電気信号を検知して力の大きさを測定できる。
第１電極５２および第２電極５５としては、線状パターンからなり、それらが平面視において同じ方向に伸びたパターンの態様が挙げられる（図示せず）。第１電極５２と第２電極５５とが同じ方向に伸びた線状パターンからなるようにすることで、第２電極５５の伸びた一方向と交差する角度の方向から力が加わった際に、その力の大きさに応じて第２電極５５が変形し、第１電極５２との間の距離が変化し、第１電極５２と第２電極５５との間の静電容量値が変化する際の電気信号を検知して力の大きさを測定できる。
例えば、第１電極５２は一方向に伸びた３本の線状パターン（左端、真ん中、右端とする）からなり、第２電極５５も第１電極５２と同じ方方向に伸びた２本の線状パターン（左側、右側とする）である。第１電極５２の左端のパターンと真ん中のパターンの隙間および第１電極５２の真ん中のパターンと右端のパターンの隙間の位置に形成する。このような構成において、第２電極５５の伸びた一方向と交差する角度の方向で左から右へ力が加わると、その力の大きさに応じて第２電極５５の２本の線状パターンが力の加わった方向に変形（平行移動）し、第１電極５２の真ん中のパターンとの間の距離は、第２電極５５の左のパターンについては近くなり、第２電極５５の右のパターンについては遠くなる。また、第１電極５２の左端のパターンと第２電極５５の左のパターンについては遠くなり、第１電極５２の右端のパターンと第２電極５５の右のパターンについては近くなる。これらの線状パターンの層間の距離の変化は、加えられた力の大きさに比例する。
すなわち、触覚センサ本体５の表面に対してせん断力が働くことによって、第１電極５２と第２電極５５が対向して重なり形成する複数のキャパシタの重なり面積の増減が生じるため、静電容量の割合が変化する。よって、この複数の静電容量の変化を測定することで、押圧力とせん断力を検出することができる。
したがって、これらの線状パターンの層間の距離の変化に伴う各々の線状パターン間の静電容量値の変化を検知すれば、加えられた力の大きさを検知できる。
すなわち、触覚センサ本体５の表面に対してせん断力が働くことによって、第１電極５２と第２電極５５が対向して重なり形成する複数のキャパシタの重なり面積の増減が生じるため、静電容量の割合が変化する。よって、この複数の静電容量の変化を測定することで、押圧力とせん断力を検出することができる。
したがって、これらの線状パターンの層間の距離の変化に伴う各々の線状パターン間の静電容量値の変化を検知すれば、加えられた力の大きさを検知できる。
この例は、第１電極５２が３本の線状パターンで第２電極５５が２本の線状パターンの場合を記載しているが、１本のみでもよいし４本以上であってもよい。また、第１電極５２と第２電極５５とで線状パターンの本数が同じであってもよい。
また、第１電極５２および第２電極５５の線状パターンは、ともにほぼ同じ形状の長尺の長方形であってもよいし、幅や長さがそれぞれ異なっていてもよいし、部分的に幅が広くなっている形状や狭くなっている形状のものでもよい。
また、長方形状だけでなく、多角形の形状や、円弧形状のような曲線状になっているものでもよい。また、それらが複合した形状や波形状であってもよい。なお、これらの正方形や円の形状などは、一般的に線状パターンの範疇に入らないが、本発明においては、本発明の作用や機能を呈する態様であれば線状パターンの一種と見做す。
また、長方形状だけでなく、多角形の形状や、円弧形状のような曲線状になっているものでもよい。また、それらが複合した形状や波形状であってもよい。なお、これらの正方形や円の形状などは、一般的に線状パターンの範疇に入らないが、本発明においては、本発明の作用や機能を呈する態様であれば線状パターンの一種と見做す。
また、第１電極５２と第２電極５５とが同じ方向に伸びた線状パターンからなる本パターン例１においては、触覚センサ本体５の表面に対して法線方向の力(押圧力)が働くことによって、第１電極５２と第２電極５５との距離が接近するため、第１電極５２と第２電極５５が対向して重なり形成する複数のキャパシタの静電容量の量が増える。この静電容量の変化を測定することで、押圧力の大きさを測定できる。
＜パターン例２＞
また、第１電極５２は絶縁体を挟んで下部第１電極と上部第１電極からなる二層であり、第２電極５５は絶縁体を挟んで下部第２電極と上部第２電極からなる二層になっていてもよい（図示せず）。この場合は、第１電極５２を、Ｘ方向に伸びた線状パターンの下部第１電極とＹ方向に伸びた線状パターンの上部第１電極とし、第２電極５５を、下部第１電極と同じＸ方向に伸びた線状パターンの下部第２電極と、上部１電極パターンと同じＹ方向に伸びた線状パターンの上部第２電極にすることが好ましい。
なお、第１電極５２の二層の上部に第２電極５５の二層を形成する例に限定されず、第１電極５２と第２電極５５の各層を互い違いに形成しても構わない。
また、第１電極５２は絶縁体を挟んで下部第１電極と上部第１電極からなる二層であり、第２電極５５は絶縁体を挟んで下部第２電極と上部第２電極からなる二層になっていてもよい（図示せず）。この場合は、第１電極５２を、Ｘ方向に伸びた線状パターンの下部第１電極とＹ方向に伸びた線状パターンの上部第１電極とし、第２電極５５を、下部第１電極と同じＸ方向に伸びた線状パターンの下部第２電極と、上部１電極パターンと同じＹ方向に伸びた線状パターンの上部第２電極にすることが好ましい。
なお、第１電極５２の二層の上部に第２電極５５の二層を形成する例に限定されず、第１電極５２と第２電極５５の各層を互い違いに形成しても構わない。
このようにすれば、同じＸ方向に伸びた下部第１電極と下部第２電極との間の静電容量の割合の変化と、同じＹ方向に伸びた上部第１電極と上部第２電極との間の静電容量の割合の変化とを、それぞれ別々に検知することができる。
その結果、せん断力が加わる方向が、平面から見た場合でも斜め方向で、せん断力にＸ方向の分力成分とＹ方向の分力成分がある場合（せん断力の方向が上部第１電極パターンまたは上部第２電極パターンのいずれかの線状パターンの方向と平行または直角ではない場合）であっても、力のＸ方向およびＹ方向の各分力成分をそれぞれ測定することができるメリットがある。
その結果、せん断力が加わる方向が、平面から見た場合でも斜め方向で、せん断力にＸ方向の分力成分とＹ方向の分力成分がある場合（せん断力の方向が上部第１電極パターンまたは上部第２電極パターンのいずれかの線状パターンの方向と平行または直角ではない場合）であっても、力のＸ方向およびＹ方向の各分力成分をそれぞれ測定することができるメリットがある。
また、第１電極５２は絶縁体を挟んで下部第１電極と上部第１電極からなる二層であり、第２電極５５は絶縁体を挟んで下部第２電極と上部第２電極からなる二層になっている本パターン例２においては、触覚センサ本体５の表面に対して法線方向の力(押圧力)が加わった際に、下部第１電極と下部第２電極との間、上部第１電極と上部第２電極との間で距離が接近するため、下部第１電極と下部第２電極、上部第１電極と上部第２電極が対向して重なり形成する複数のキャパシタの静電容量の量が増える。これらの静電容量の変化を測定することで、押圧力の大きさを測定できる。
＜パターン例３＞
さらに、上記したパターン例１のような静電容量式感圧センサを縦横マトリックス状に複数個並べた静電容量式感圧センサ群を構成すると、各静電容量式感圧センサの一方向と交差する角度の方向の力の面状分布を測定することもできる。すなわち、各々の静電容量式感圧センサはそれぞれ各々の位置における静電容量式感圧センサと交差する角度の方向の力を測定することができるので、力の大きさが場所によって異なる場合であっても、静電容量式感圧センサを縦横マトリックス状に複数個並べると、各場所における力の大きさを測定できる。
なお、この場合の静電容量式感圧センサは、第１基材フィルム５１および第２基材フィルム５４はすべて共通化したうえで第２電極５５や第１電極５２をそれぞれ別個独立して形成している。
さらに、上記したパターン例１のような静電容量式感圧センサを縦横マトリックス状に複数個並べた静電容量式感圧センサ群を構成すると、各静電容量式感圧センサの一方向と交差する角度の方向の力の面状分布を測定することもできる。すなわち、各々の静電容量式感圧センサはそれぞれ各々の位置における静電容量式感圧センサと交差する角度の方向の力を測定することができるので、力の大きさが場所によって異なる場合であっても、静電容量式感圧センサを縦横マトリックス状に複数個並べると、各場所における力の大きさを測定できる。
なお、この場合の静電容量式感圧センサは、第１基材フィルム５１および第２基材フィルム５４はすべて共通化したうえで第２電極５５や第１電極５２をそれぞれ別個独立して形成している。
＜パターン例４＞
さらに、上記したパターン例２のような第２電極５５および第１電極５２をそれぞれ複数層形成した静電容量式感圧センサを、縦横マトリックス状に複数個並べて静電容量式感圧センサ群を構成すると、各々の静電容量式感圧センサに加えられた力のＸ方向およびＹ方向の各分力成分も測定でき、力のＸ方向およびＹ方向の各分力成分の面状分布も測定することができる。すなわち、各々の静電容量式感圧センサはそれぞれ各々の位置における静電容量式感圧センサと交差する角度の方向の力の分力（Ｘ方向の分力およびＹ方向の分力）をそれぞれ測定することができるので、力の大きさおよび方向が場所によって異なる場合であっても、静電容量式感圧センサを縦横マトリックス状に複数個並べると、各場所における力の分力（Ｘ方向の分力およびＹ方向の分力）の大きさを測定できる。
この場合の静電容量式感圧センサも、パターン例３と同様に、第１基材フィルム５１および第２基材フィルム５４はすべて共通化したうえで第２電極５５や第１電極５２をそれぞれ別個独立して形成している。
さらに、上記したパターン例２のような第２電極５５および第１電極５２をそれぞれ複数層形成した静電容量式感圧センサを、縦横マトリックス状に複数個並べて静電容量式感圧センサ群を構成すると、各々の静電容量式感圧センサに加えられた力のＸ方向およびＹ方向の各分力成分も測定でき、力のＸ方向およびＹ方向の各分力成分の面状分布も測定することができる。すなわち、各々の静電容量式感圧センサはそれぞれ各々の位置における静電容量式感圧センサと交差する角度の方向の力の分力（Ｘ方向の分力およびＹ方向の分力）をそれぞれ測定することができるので、力の大きさおよび方向が場所によって異なる場合であっても、静電容量式感圧センサを縦横マトリックス状に複数個並べると、各場所における力の分力（Ｘ方向の分力およびＹ方向の分力）の大きさを測定できる。
この場合の静電容量式感圧センサも、パターン例３と同様に、第１基材フィルム５１および第２基材フィルム５４はすべて共通化したうえで第２電極５５や第１電極５２をそれぞれ別個独立して形成している。
上記のパターン例３、４は、面状分布を測定できるので、ロボットハンド用途にはとくに適している。
なお、上記のパターン例３、４では、静電容量式感圧センサを縦横マトリックス状に並べる場合を示したが、指部２が細長い場合、静電容量式感圧センサを一列に並べても構わない。
なお、上記のパターン例３、４では、静電容量式感圧センサを縦横マトリックス状に並べる場合を示したが、指部２が細長い場合、静電容量式感圧センサを一列に並べても構わない。
＜パターン例５＞
また、第１電極５２が島状パターンからなり、第２電極５５が絶縁体を挟んで上部第２電極と下部第２電極の二層からなり、かつ上部第２電極と下部第２電極とが平面視において交差する複数本の線状パターンからなり、第１電極５２の島状パターンの一部が上部第２電極のパターンの一部および下部第２電極のパターンの一部と平面視においてそれぞれ重なるパターンにする態様もある。この平面視において上部第２電極と下部第２電極とが交差する角度は限定されず、それらが直交する（すなわち交差する角度が９０°になる）場合は第１電極５２のパターンは長方形状の碁盤目状になり、直交しない場合には第１電極５２のパターンは平行四辺形状の碁盤目状となる。
また、第１電極５２が島状パターンからなり、第２電極５５が絶縁体を挟んで上部第２電極と下部第２電極の二層からなり、かつ上部第２電極と下部第２電極とが平面視において交差する複数本の線状パターンからなり、第１電極５２の島状パターンの一部が上部第２電極のパターンの一部および下部第２電極のパターンの一部と平面視においてそれぞれ重なるパターンにする態様もある。この平面視において上部第２電極と下部第２電極とが交差する角度は限定されず、それらが直交する（すなわち交差する角度が９０°になる）場合は第１電極５２のパターンは長方形状の碁盤目状になり、直交しない場合には第１電極５２のパターンは平行四辺形状の碁盤目状となる。
この島状パターンの第１電極５２と上部第２電極との間の静電容量値の変化およびこの島状パターンの第１電極５２と下部第２電極との間の静電容量値の変化を計測することで、それぞれ上部第２電極のパターン方向の力のＸ軸方向の分力成分と下部第２電極のパターン方向の力のＹ軸方向の分力成分とを測定することができる。
そして、この状態からＸ軸方向の分力成分が加わると、その力の大きさに比例して上部第２電極は平行移動し、その結果、第１電極５２と上部第２電極との間の静電容量値を検出できる領域は増加する。したがって、この増加した静電容量値を検出すれば、もとのＸ軸方向の分力成分が測定できる。
同様に、Ｙ軸方向の分力成分が加わると、その力の大きさに比例して下部第２電極は平行移動し、その結果、第１電極５２と下部第２電極との間の静電容量値を検出できる領域が増加する。したがって、この増加した静電容量値を検出すれば、もとのＹ軸方向の分力成分が測定できる。
そして、この状態からＸ軸方向の分力成分が加わると、その力の大きさに比例して上部第２電極は平行移動し、その結果、第１電極５２と上部第２電極との間の静電容量値を検出できる領域は増加する。したがって、この増加した静電容量値を検出すれば、もとのＸ軸方向の分力成分が測定できる。
同様に、Ｙ軸方向の分力成分が加わると、その力の大きさに比例して下部第２電極は平行移動し、その結果、第１電極５２と下部第２電極との間の静電容量値を検出できる領域が増加する。したがって、この増加した静電容量値を検出すれば、もとのＹ軸方向の分力成分が測定できる。
また、本パターン例５においては、触覚センサ本体５の表面に対して法線方向の力(押圧力)が加わった際に、上部第２電極と下部部第２電極との距離が接近するため、上部第２電極と下部部第２電極が対向して重なり形成する複数のキャパシタの静電容量の量が増える。この静電容量の変化を測定することで、押圧力の大きさを測定できる。
以上、第１電極５２および第２電極５５のパターンについて、幾つかの例を示したが、これらに限定されない。
第１電極５２および第２電極５５の材質は、１）金、銀、銅、白金、パラジウム、アルミニウム、ロジウム等の金属膜のほか、２）これらの金属粒子を樹脂バインダーに分散させた導電ペースト膜、あるいはポリへキシルチオフェン、ポリジオクチルフルオレン、ペンタセン、テトラベンゾポルフィリンなどの有機半導体などが挙げられるが、特に限定されない。
第１電極５２および第２電極５５の形成方法は、上記１）の場合、メッキ法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等で導電膜を全面形成した後にエッチングによりパターニングする方法が挙げられ、上記２）の場合、スクリーン、グラビア、オフセットなどの印刷法等で直接パターン形成する方法が挙げられる。
第１電極５２および第２電極５５の形成方法は、上記１）の場合、メッキ法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等で導電膜を全面形成した後にエッチングによりパターニングする方法が挙げられ、上記２）の場合、スクリーン、グラビア、オフセットなどの印刷法等で直接パターン形成する方法が挙げられる。
絶縁体５７の材質としては、ウレタン、シリコーン、エポキシ、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ブタジエンなどで作成されたゴムシートや、フォーム材などが挙げられる。さらに、これらの材料を弾性接着剤、すなわち硬化後も弾性を有する接着剤によって第１電極フィルム５３や第２電極フィルム５５に接着してもよい。なお、絶縁体５７は、押出成形などの一般的なシート成形法によりシート化されたものに限定されるわけでなく、印刷やコーターなどによって形成されたコーティング層であってもよい。
また、触覚センサ本体５の感圧エリア５ａの外側の不感圧エリア５ｂには、第１電極５２および第２電極５５の各々からの配線パターンが形成されている。これらの配線パターンは、図３（ｂ）に示すように、フィルムコネクタ１０により触覚センサ本体５から取り出され、ロボットハンド１の指部２を構成する筐体２１内部に納められたＰＣＢ（プリント基板）９１と電気接続されている。ＰＣＢ９１で処理された信号は、ＰＣＢ９１からＵＳＢケーブルなどのケーブル９２を介して、ロボット本体に送られる。
（５）接着層６
また、触覚センサ本体５は、図４に示すように、接着層６によってロボットハンド１の指部２に貼合されている。
接着層６の材質としては、例えば、両面テープなどが挙げられる。
また、触覚センサ本体５は、図４に示すように、接着層６によってロボットハンド１の指部２に貼合されている。
接着層６の材質としては、例えば、両面テープなどが挙げられる。
（６）保護層７
また、触覚センサ本体５は、図４に示すように、保護層７で被覆されている。
保護層７は、力の加えられる触覚センサ本体５の感圧エリアを保護するものである。護層７の上面が、把持対象物Ｗとの接触面になっている。
図１２は、第１実施形態に係るロボットハンドの触覚センサ付き指における保護層７形状の一例を示す断面図である。図１２（ａ）は、指部２を掌面２１ａ側から見た図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＤＤ線断面である。
保護層７は、図１２（ｂ）に示すように、触覚センサ本体５を被覆しているが、触覚センサ本体５の感圧エリア５ａより外側の不感圧エリア５ｂに面するように、保護層７の触覚センサ本５体側に切欠き部７１が設けられている。この切欠き部７１の空間には何も無く、空気層となっている。
不感圧エリア５ｂにおいて把持対象物Ｗと指部２とが接触したときに、切欠き部７１の空間によって保護層７が大きく変形する。その結果、触覚センサ本体５の不感圧エリア５ｂに近い感圧エリア５ａにも変形が及ぶため、把持対象物Ｗと指部２との接触を検出することができる。
なお、図示された切欠き部７１は、保護層７の空間と接する面が指部２の筐体２１表面に対して平行な下面と垂直な壁面とで構成されているが、これに限定されない。例えば、下面が指部２の筐体２１表面に対して傾斜してもよい。また、下面を指部２の筐体２１表面に対して傾斜させ、壁面を無くしてもよい。また、保護層７の空間と接する面が曲面で構成されていてもよい。
また、触覚センサ本体５は、図４に示すように、保護層７で被覆されている。
保護層７は、力の加えられる触覚センサ本体５の感圧エリアを保護するものである。護層７の上面が、把持対象物Ｗとの接触面になっている。
図１２は、第１実施形態に係るロボットハンドの触覚センサ付き指における保護層７形状の一例を示す断面図である。図１２（ａ）は、指部２を掌面２１ａ側から見た図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＤＤ線断面である。
保護層７は、図１２（ｂ）に示すように、触覚センサ本体５を被覆しているが、触覚センサ本体５の感圧エリア５ａより外側の不感圧エリア５ｂに面するように、保護層７の触覚センサ本５体側に切欠き部７１が設けられている。この切欠き部７１の空間には何も無く、空気層となっている。
不感圧エリア５ｂにおいて把持対象物Ｗと指部２とが接触したときに、切欠き部７１の空間によって保護層７が大きく変形する。その結果、触覚センサ本体５の不感圧エリア５ｂに近い感圧エリア５ａにも変形が及ぶため、把持対象物Ｗと指部２との接触を検出することができる。
なお、図示された切欠き部７１は、保護層７の空間と接する面が指部２の筐体２１表面に対して平行な下面と垂直な壁面とで構成されているが、これに限定されない。例えば、下面が指部２の筐体２１表面に対して傾斜してもよい。また、下面を指部２の筐体２１表面に対して傾斜させ、壁面を無くしてもよい。また、保護層７の空間と接する面が曲面で構成されていてもよい。
保護層７の材質としは、ウレタン、シリコーン、エポキシ、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ブタジエンなどで作成されたゴムシートや、フォーム材などが挙げられる。保護層７の被覆は、これらゴムシートやフォーム材を貼合することによって行う。触覚センサ本体５を貼合した筐体２１を成形型に設置して液状のゴム材料などを流し込んで成型するインサート成型などによっておこなってもよい。保護層７の厚みは、０．５ｍｍ～５ｍｍが好ましい。
さらに、保護層７の表面にはさまざまな意匠シートを貼合することができる。目的に応じて、絵柄シートのほかに、レザーや布などを貼り合わせることで、デザイン性を付与することができる。また、保護層７自体に絵柄を形成することもできる。
図５は、図２のように把持対象物Ｗを把持したときに触覚センサ本体５で検出されたせん断力分布の一例を示す図である。２本の触覚センサ付き指１Ｆのうち一方を１ＦＡ、他方を１ＦＢとし、それぞれが有する触覚センサ本体５によって指部２の掌面２１ａ間に把持対象物Ｗを把持したときのせん断力を測定し、せん断力分布を感圧面視で表示した。なお、ここで用いる電極パターンは、前述のパターン例５であり、持対象物Ｗは筒状物である。
検出されたせん断力分布によれば、図２の紙面手前から奥の向きに把持対象物Ｗが引っ張られているのがわかる。
検出されたせん断力分布によれば、図２の紙面手前から奥の向きに把持対象物Ｗが引っ張られているのがわかる。
（７－１）変形例１
上記第１実施形態では、先端部にロボットハンド１の取りつけられているロボット本体１００は、水平多関節ロボットの場合を図示して説明したが、これに限定されない。例えば、ロボット本体１００は、垂直多関節ロボットなど他のロボットであってもよい。
上記第１実施形態では、先端部にロボットハンド１の取りつけられているロボット本体１００は、水平多関節ロボットの場合を図示して説明したが、これに限定されない。例えば、ロボット本体１００は、垂直多関節ロボットなど他のロボットであってもよい。
（７－２）変形例２
上記第１実施形態では、ロボットハンド１の指部２が無関節の場合を図示して説明したが、指部２はこれに限定されない。例えば、各指部２が１～２の関節を有していてもよい。
指部２が関節を有していていることによって、把持対象物Ｗに対する指部２の接触する角度が多様となり、指部２の掌面２１ａ以外のとの接触機会も多くなる。したがって、それらの接触面に対しても触覚センサが必要となる。
上記第１実施形態では、ロボットハンド１の指部２が無関節の場合を図示して説明したが、指部２はこれに限定されない。例えば、各指部２が１～２の関節を有していてもよい。
指部２が関節を有していていることによって、把持対象物Ｗに対する指部２の接触する角度が多様となり、指部２の掌面２１ａ以外のとの接触機会も多くなる。したがって、それらの接触面に対しても触覚センサが必要となる。
（７－３）変形例３
上記第１実施形態では、ロボットハンド１の指部２が２つの２本指型の場合を図示して説明したが、指部２これに限定されない。例えば、指部２が３つの３本指型、人間と同様の５本指型などの多指型であってもよい。多指型のロボットハンド１の場合、変形例２で述べた関節を組み合わせるのが好ましい。
例えば、３本または５本の指部２は、それらの後端を支持する支持部３の垂直軸の周方向に離散的に配列されており、これら指部２は、駆動部４によって各指部２の関節を曲げることで、軸に対して近づく向きと離れる向きとに可動する。
上記第１実施形態では、ロボットハンド１の指部２が２つの２本指型の場合を図示して説明したが、指部２これに限定されない。例えば、指部２が３つの３本指型、人間と同様の５本指型などの多指型であってもよい。多指型のロボットハンド１の場合、変形例２で述べた関節を組み合わせるのが好ましい。
例えば、３本または５本の指部２は、それらの後端を支持する支持部３の垂直軸の周方向に離散的に配列されており、これら指部２は、駆動部４によって各指部２の関節を曲げることで、軸に対して近づく向きと離れる向きとに可動する。
（７－４）変形例４
上記第１実施形態では、触覚センサ本体５が、掌面２１ａと、先端面２１ｃのみに跨って重なる感圧エリア５ａを有している例を示して説明したが、これに限定されない。感圧エリア５ａは、掌面２１ａと、先端面２１ｃおよび２つの側面２１ｄ，２１ｄのうちの少なくとも1つとに跨って重なっていればよい。例えば、図６に示すように、触覚センサ本体５が、掌面２１ａと２つの側面２１ｄ，２１ｄと跨って重なる感圧エリア５ａを有していてもよい。また、触覚センサ本体５が、図７に示すように、掌面２１ａと先端面２１ｃと２つの側面２１ｄ，２１ｄとに跨って重なる感圧エリア５ａを有していてもよい。
上記第１実施形態では、触覚センサ本体５が、掌面２１ａと、先端面２１ｃのみに跨って重なる感圧エリア５ａを有している例を示して説明したが、これに限定されない。感圧エリア５ａは、掌面２１ａと、先端面２１ｃおよび２つの側面２１ｄ，２１ｄのうちの少なくとも1つとに跨って重なっていればよい。例えば、図６に示すように、触覚センサ本体５が、掌面２１ａと２つの側面２１ｄ，２１ｄと跨って重なる感圧エリア５ａを有していてもよい。また、触覚センサ本体５が、図７に示すように、掌面２１ａと先端面２１ｃと２つの側面２１ｄ，２１ｄとに跨って重なる感圧エリア５ａを有していてもよい。
なお、図７に示す触覚センサ本体５の展開パターンは、矩形ではない。図８に示すように、本実施形態の触覚センサ本体５は、指部２を構成する筐体２１外面に沿わない部分を除いた展開パターンを有している。
仮に触覚センサ本体５の展開パターンが図８の破線の部分を含む矩形であった場合、図９に示すように、触指部２の先端面２１ｃと側面２１ｄ，２１ｄとの境界上に、筐体２１の外面に沿わない部分が生ずる。この部分が基材フィルムの剛性によって折り曲げを妨げるので、フィルム状の触覚センサ本体５を指部２の外面に沿わせて折り曲げにくい。また、触覚センサ本体５の外面に皺などの凸部が生じやすくなり、触覚センサ本体５の感圧エリア５ａと把持対象物Ｗとの接触が不確実となる。
本実施形態のように、筐体２１外面に沿わない部分を除くことにより、この触覚センサ本体５として不要な部分が折り曲げを妨げることがないので、フィルム状の触覚センサ本体５を指部２の外面に沿わせて折り曲げやすくなる。
仮に触覚センサ本体５の展開パターンが図８の破線の部分を含む矩形であった場合、図９に示すように、触指部２の先端面２１ｃと側面２１ｄ，２１ｄとの境界上に、筐体２１の外面に沿わない部分が生ずる。この部分が基材フィルムの剛性によって折り曲げを妨げるので、フィルム状の触覚センサ本体５を指部２の外面に沿わせて折り曲げにくい。また、触覚センサ本体５の外面に皺などの凸部が生じやすくなり、触覚センサ本体５の感圧エリア５ａと把持対象物Ｗとの接触が不確実となる。
本実施形態のように、筐体２１外面に沿わない部分を除くことにより、この触覚センサ本体５として不要な部分が折り曲げを妨げることがないので、フィルム状の触覚センサ本体５を指部２の外面に沿わせて折り曲げやすくなる。
（７－５）変形例５
上記第１実施形態では、ロボットハンド１の指部２がおおよそ直方体の筐体２１で構成されていたが、これに限定されない。例えば、指部２の掌面２１ａ、先端面２１ｃおよび２つの側面２１ｄ，ｄ１ｄのうちの少なくとも1つが、複数面で構成され且つ感圧エリア５ａと重なっているようにしてもよい。
図１０は、複数面からなる掌面２１ａを有する指部２に貼合された触覚センサ本体５の一例を示す図である。図１０（ａ）は、触覚センサ本体５の大面積部分を指部２側とは反対側から見た図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＢＢ線断面である。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）のＣＣ線断面である。
図１０に示す例では、指部２の掌面２１ａが平面ではなく、６つの面からなる立体面である構成において貼合された、触覚センサ本体５の形状の一例が示されている。図１１は、図１０に示す触覚センサ本体５の展開パターンであり、指部２を構成する筐体２１外面に沿わない部分を除いた形状をしている。なお、触覚センサ本体５の感圧エリア５ａは、触覚センサ本体５の折り曲げられた形状に合わせて、６つの面に対応するエリアに分割されている（図示せず）。
このように、より多くの面に感圧エリア５ａを設けることで、把持対象物Ｗとの多様な接触状態を計測することができる。
上記第１実施形態では、ロボットハンド１の指部２がおおよそ直方体の筐体２１で構成されていたが、これに限定されない。例えば、指部２の掌面２１ａ、先端面２１ｃおよび２つの側面２１ｄ，ｄ１ｄのうちの少なくとも1つが、複数面で構成され且つ感圧エリア５ａと重なっているようにしてもよい。
図１０は、複数面からなる掌面２１ａを有する指部２に貼合された触覚センサ本体５の一例を示す図である。図１０（ａ）は、触覚センサ本体５の大面積部分を指部２側とは反対側から見た図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＢＢ線断面である。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）のＣＣ線断面である。
図１０に示す例では、指部２の掌面２１ａが平面ではなく、６つの面からなる立体面である構成において貼合された、触覚センサ本体５の形状の一例が示されている。図１１は、図１０に示す触覚センサ本体５の展開パターンであり、指部２を構成する筐体２１外面に沿わない部分を除いた形状をしている。なお、触覚センサ本体５の感圧エリア５ａは、触覚センサ本体５の折り曲げられた形状に合わせて、６つの面に対応するエリアに分割されている（図示せず）。
このように、より多くの面に感圧エリア５ａを設けることで、把持対象物Ｗとの多様な接触状態を計測することができる。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る触覚センサ付きロボットハンドについて、図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は、指部２を掌面２１ａ側から見た図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＥＥ線断面である。
第３実施形態は、指部２の触覚センサ本体５が貼合されていない部分が、保護層７で被覆されている点で第１実施形態と異なる。
すなわち、触覚センサ本体５の保護だけでなく、指部２の保護エリアを拡大できる。なお、拡大させる保護エリアは、指部２の触覚センサ本体５が貼合されていない部分の全てでもよいし、指部２の触覚センサ本体５が貼合されていない部分の一部だけでもよい。
次に、本発明の第２実施形態に係る触覚センサ付きロボットハンドについて、図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は、指部２を掌面２１ａ側から見た図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＥＥ線断面である。
第３実施形態は、指部２の触覚センサ本体５が貼合されていない部分が、保護層７で被覆されている点で第１実施形態と異なる。
すなわち、触覚センサ本体５の保護だけでなく、指部２の保護エリアを拡大できる。なお、拡大させる保護エリアは、指部２の触覚センサ本体５が貼合されていない部分の全てでもよいし、指部２の触覚センサ本体５が貼合されていない部分の一部だけでもよい。
その他の点については、第１実施形態と説明が重複するため、説明を省略する。また、第１実施形態で説明した各変化例も、第２実施形態に適用できる。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る触覚センサ付きロボットハンドについて、図１４、図１５を用いて説明する。図１４（ａ）は、触覚センサ本体５のみが保護層７で保護された指部２を掌面２１ａ側から見た図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＦＦ線断面である。図１５（ａ）は、保護層７で保護された指部２を掌面２１ａ側から見た図である。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＧＧ線断面である。
第３実施形態は、保護層７の切欠き部７１の空間が、保護層７よりも柔らかいクッション層８で埋まっている点で第１、第２実施形態と異なる。
切欠き部７１の空間を保護層７よりも柔らかいクッション層８で埋めることにより、空間がクッション層８で埋まっていない場合と比べて感圧エリア５ａの縁部への応力集中を緩和できる。感圧エリア５ａの縁部への応力集中は、繰り返し続けられると感圧エリア５ａでの断線リスクを高める。したがって、切り欠き部７１があることによる触覚センサ本体５の耐久性劣化を最小限に抑えることができる。
次に、本発明の第３実施形態に係る触覚センサ付きロボットハンドについて、図１４、図１５を用いて説明する。図１４（ａ）は、触覚センサ本体５のみが保護層７で保護された指部２を掌面２１ａ側から見た図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＦＦ線断面である。図１５（ａ）は、保護層７で保護された指部２を掌面２１ａ側から見た図である。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＧＧ線断面である。
第３実施形態は、保護層７の切欠き部７１の空間が、保護層７よりも柔らかいクッション層８で埋まっている点で第１、第２実施形態と異なる。
切欠き部７１の空間を保護層７よりも柔らかいクッション層８で埋めることにより、空間がクッション層８で埋まっていない場合と比べて感圧エリア５ａの縁部への応力集中を緩和できる。感圧エリア５ａの縁部への応力集中は、繰り返し続けられると感圧エリア５ａでの断線リスクを高める。したがって、切り欠き部７１があることによる触覚センサ本体５の耐久性劣化を最小限に抑えることができる。
第３実施形態において、クッション層８を構成する柔らかい材料としては、フォーム材を用いることができる。フォーム材は、例えば、ウレタンやシリコーンなどのゴム材料を発泡させたものなどを挙げることができる。
なお、クッション層８の形成方法としては、例えば、加硫前の液体ゴムに発泡材を混ぜてそれを保護層７の切り欠き部７１に流し込む方法や、予め触覚センサ本体５の不感圧エリア５ｂに発泡材を貼り付けておき、その後、保護層７の硬化前の液体を触覚センサ本体５の感圧エリア５ａおよび発泡体を覆うように流し込んで成形する方法などが挙げられる。
なお、クッション層８の形成方法としては、例えば、加硫前の液体ゴムに発泡材を混ぜてそれを保護層７の切り欠き部７１に流し込む方法や、予め触覚センサ本体５の不感圧エリア５ｂに発泡材を貼り付けておき、その後、保護層７の硬化前の液体を触覚センサ本体５の感圧エリア５ａおよび発泡体を覆うように流し込んで成形する方法などが挙げられる。
その他の点については、第１、第２実施形態と説明が重複するため、説明を省略する。また、第１実施形態で説明した各変化例も、第３実施形態に適用できる。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係るロボットハンドの触覚センサ付き指における保護層形状の一例について、図１６を用いて説明する。図１６（ａ）は、保護層７で保護された指部２を掌面２１ａ側から見た図である。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＨＨ線断面である。
第４実施形態は、触覚センサ本体５全面と、指部２の２つの側面２１ｄ，２１ｄの一部(図１６参照)又は全部（図示せず）とが、連続して保護層７で被覆されている点で第１実施形態と異なる。また、保護層７が、指部２の掌面２１ａ上で且つ触覚センサ本体５の感圧エリア５ａを被覆する部分において、指部２の掌面２１ａと２つの側面２１ｄ，２１ｄとの境界付近を被覆する部分よりも厚み方向に突出した突出部７２を有している点でも第１実施形態と異なる。なお、図１６に示す例では、指部２の先端面２１ｃ上で且つ触覚センサ本体５の感圧エリア５ａを被覆する部分においても突出部７２を有している。
次に、本発明の第４実施形態に係るロボットハンドの触覚センサ付き指における保護層形状の一例について、図１６を用いて説明する。図１６（ａ）は、保護層７で保護された指部２を掌面２１ａ側から見た図である。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＨＨ線断面である。
第４実施形態は、触覚センサ本体５全面と、指部２の２つの側面２１ｄ，２１ｄの一部(図１６参照)又は全部（図示せず）とが、連続して保護層７で被覆されている点で第１実施形態と異なる。また、保護層７が、指部２の掌面２１ａ上で且つ触覚センサ本体５の感圧エリア５ａを被覆する部分において、指部２の掌面２１ａと２つの側面２１ｄ，２１ｄとの境界付近を被覆する部分よりも厚み方向に突出した突出部７２を有している点でも第１実施形態と異なる。なお、図１６に示す例では、指部２の先端面２１ｃ上で且つ触覚センサ本体５の感圧エリア５ａを被覆する部分においても突出部７２を有している。
上記構成により、触覚センサ本体５の保護だけでなく、指部２の保護エリアを拡大できる。また、保護層７が、指部２の掌面２１ａ上で且つ触覚センサ本体５の感圧エリア５ａを被覆する部分において厚み方向に突出しているので、指部２の掌面２１ａと２つの側面２１ｄ，２１ｄとの境界付近、すなわち感圧エリア５ａの存在しない部分で接触するより前に突出部７３に把持対象物Ｗが接触するから、突出部７２のある感圧エリア５ａで把持対象物Ｗを検知できる（図１７参照）。したがって、２本の指部２が把持対象物Ｗの両側からさらに接近をし続けることがなく、ロボットハンド１１と把持対象物Ｗとの間に必要以上の負荷がかからない。
突出部７２の突出程度は、例えば、図１６（ａ）のＨＨ線断面である図１６（ｂ）において、指部２の掌面２１ａに平行な保護層７表面の外縁と突出部７２天面の外縁とを結ぶ仮想面（図１６（ｂ）中の二点鎖線）の掌面２１ａに対する傾斜角度θが３０°以上であるのが好ましい。傾斜角度θが３０°に満たないと、突出部７２による効果が得にくい。
突出部７２の突出程度は、例えば、図１６（ａ）のＨＨ線断面である図１６（ｂ）において、指部２の掌面２１ａに平行な保護層７表面の外縁と突出部７２天面の外縁とを結ぶ仮想面（図１６（ｂ）中の二点鎖線）の掌面２１ａに対する傾斜角度θが３０°以上であるのが好ましい。傾斜角度θが３０°に満たないと、突出部７２による効果が得にくい。
保護層７の上記突出部７２を有する構成は、先に述べた切り欠き部７１を保護層７の触覚センサ本体５側に設ける構成と比べて、保護層７の形成が容易である。例えば、インサート成形などで形成できる。すなわち、触覚センサ本体５を貼合した筐体２１を成形型に設置して液状のゴム材料などを流し込んで、保護層７を成形する。もちろん、第１実施形態で説明したように、貼合することによって保護層７を被覆してもよい。
なお、図１６に示す例では、指部２の筐体２１が露出する例が示されているが、本実施形態４はこれに限定されない。例えば、指部２の筐体２１が露出する面積が図１６に示す例よりも増減してもよいし、保護層７で指部２を全体的に被覆してもよい。
なお、図１６に示す例では、指部２の筐体２１が露出する例が示されているが、本実施形態４はこれに限定されない。例えば、指部２の筐体２１が露出する面積が図１６に示す例よりも増減してもよいし、保護層７で指部２を全体的に被覆してもよい。
その他の点については、第１実施形態と説明が重複するため、説明を省略する。また、第１実施形態で説明した各変化例も、第４実施形態に適用できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態および変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
１，１１ ロボットハンド
１Ｆ 触覚センサ付き指
２ 指部
２１ 筐体
２１ａ 掌面
２１ｂ 背面
２１ｃ 先端面
２１ｄ 側面
３ 支持部
４ 駆動部
５ 触覚センサ本体
５ａ 感圧エリア
５ｂ 不感圧エリア
５１ 第１基材フィルム
５２ 第１電極
５３ 第１電極フィルム
５４ 第２基材フィルム
５５ 第２電極
５６ 第２電極フィルム
５７ 絶縁体
６ 接着層
７ 保護層
７１ 切欠き部
７２ 突出部
８ クッション層
９０ フィルムコネクタ
９１ ＰＣＢ
９２ ケーブル
１００ ロボット本体
１１０ 基台
１２０ アーム
１３０ 第１アーム
１４０ 第２アーム
１５０ 作業ヘッド
１Ｆ 触覚センサ付き指
２ 指部
２１ 筐体
２１ａ 掌面
２１ｂ 背面
２１ｃ 先端面
２１ｄ 側面
３ 支持部
４ 駆動部
５ 触覚センサ本体
５ａ 感圧エリア
５ｂ 不感圧エリア
５１ 第１基材フィルム
５２ 第１電極
５３ 第１電極フィルム
５４ 第２基材フィルム
５５ 第２電極
５６ 第２電極フィルム
５７ 絶縁体
６ 接着層
７ 保護層
７１ 切欠き部
７２ 突出部
８ クッション層
９０ フィルムコネクタ
９１ ＰＣＢ
９２ ケーブル
１００ ロボット本体
１１０ 基台
１２０ アーム
１３０ 第１アーム
１４０ 第２アーム
１５０ 作業ヘッド
Claims (13)
- 把持対象物を把持するロボットハンドの指であって、
前記把持対象物に接触する掌面と、前記掌面と反対側の背面と、前記掌面および前記背面の延在方向の先端で前記掌面および前記背面と隣接する先端面と、前記掌面および前記背面の延在方向に交差する方向で前記掌面および前記背面と隣接する両方の側面とを有する指部と、
前記指部を構成する筐体外面に貼合されたフィルム状物であり、前記掌面と、前記先端面および２つの前記側面のうちの少なくとも1つとに跨って重なる感圧エリアを有する触覚センサ本体と、を備え、
前記触覚センサ本体が保護層で被覆されており、前記触覚センサ本体の前記感圧エリアより外側の不感圧エリアに面するように、前記保護層の前記触覚センサ本体側に切欠き部が設けられている、ロボットハンドの触覚センサ付き指。 - 前記触覚センサ本体が、前記掌面と前記先端面とに跨って重なる前記感圧エリアを有する、請求項１記載のロボットハンドの触覚センサ付き指。
- 前記触覚センサ本体が、前記掌面と２つの前記側面とに跨って重なる前記感圧エリアを有する、請求項１記載のロボットハンドの触覚センサ付き指。
- 前記触覚センサ本体が、第１基材フィルム上に第１電極が設けられた第１電極フィルムと、前記第１基材フィルムに対向する第２基材フィルム上に第２電極が設けられた第２電極フィルムと、前記第１電極フィルムと前記第２電極フィルムとの間に挟まれた絶縁体とを備えた静電容量式感圧センサであり、
前記第１基材フィルム側が前記指部に貼合されている、請求項１～３のいずれかに記載のロボットハンドの触覚センサ付き指。 - 前記第１基材フィルム、前記第２基材フィルムの引張弾性率をそれぞれＥ１、Ｅ２、前記第１基材フィルム、前記第２基材フィルムの厚みをそれぞれｔ１、ｔ２としたとき、
Ｅ１×ｔ１＞Ｅ２×ｔ２の関係にある、請求項４に記載のロボットハンドの触覚センサ付き指。 - 前記指部の前記掌面、前記先端面および２つの前記側面のうちの少なくとも1つが、複数面で構成され且つ前記感圧エリアと重なっている、請求項１～５のいずれかに記載のロボットハンドの触覚センサ付き指。
- 前記触覚センサ本体が、前記指部を構成する前記筐体外面に沿わない部分を除いた展開パターンを有している、請求項１～６のいずれかに記載のロボットハンドの触覚センサ付き指。
- 前記触覚センサ本体の前記感圧エリアが、前記触覚センサ本体の折り曲げられた形状に合わせて、複数に分割されている、請求項１～７のいずれかに記載のロボットハンドの触覚センサ付き指。
- 前記切欠き部の空間が、前記保護層よりも柔らかいクッション層で埋まっている、請求項１～８のいずれかに記載のロボットハンドの触覚センサ付き指。
- 前記指部の前記触覚センサ本体が貼合されていない部分が、部分的または全体的に拡張された前記保護層で被覆されている、請求項１～９のいずれかに記載のロボットハンドの触覚センサ付き指。
- 把持対象物を把持するロボットハンドの指であって、
前記把持対象物に接触する掌面と、前記掌面と反対側の背面と、前記掌面および前記背 面の延在方向の先端で前記掌面および前記背面と隣接する先端面と、前記掌面および前記 背面の延在方向に交差する方向で前記掌面および前記背面と隣接する両方の側面とを有する指部と、
前記指部を構成する筐体外面に貼合されたフィルム状物であり、前記掌面と、前記先端 面および２つの前記側面のうちの少なくとも1つとに跨って重なる感圧エリアを有する触 覚センサ本体と、を備え、
前記触覚センサ本体が、前記掌面と前記先端面とに跨って重なる前記感圧エリアを有し、
前記触覚センサ本体全面および前記指部の２つの前記側面の一部又は全部が連続して保護層で被覆されており、
前記保護層が、前記指部の前記掌面上で且つ前記触覚センサ本体の前記感圧エリアを被覆する部分において、前記指部の前記掌面と２つの前記側面との境界付近を被覆する部分よりも厚み方向に突出した突出部を有している、ロボットハンドの触覚センサ付き指。 - 請求項１～１１のいずれかに記載のロボットハンドの触覚センサ付き指を複数本備え、
さらに、前記指部の後端を支持する支持部と、
把持対象物を把持又は解放するように前記指部を駆動する駆動部と、を備えた触覚センサ付きロボットハンド。 - 前記指部を２本備え、
これらの前記指部が、前記掌面どうしが向き合うように配置され、
前記指部の各々が無関節で、平行な前記掌面どうしが接近することにより把持対象物を把持する、請求項１２記載の触覚センサ付きロボットハンド。
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