JPH0629684B2 - 触覚センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、人の指の機能を機械的に実現しようとする場
合等に有効な触覚センサの改良に関するものである。

［従来の技術］ 従来から、触覚センサとしては、感圧導電ゴム、ピエゾ
素子、磁気抵抗素子、光素子などを利用したものが種々
提案されている。これらの触覚センサを備えた指により
物体を把持する場合に、物体と指先の接触部における滑
りを防止するには、その接触部においてできるだけ物体
表面に対して法線方向の指先力を発生させることが望ま
しい。一般的には、接触部が摩擦を有するとき、滑りを
発生しない指先力ベクトルの作用範囲は、物体表面の法
線を中心線とする摩擦円錐で表わすことができ、把持・
操り制御においては、少なくとも指先力ベクトルは、こ
の摩擦円錐内に存在する必要がある。

こうした機能を実現するには、指先のどの位置に、また
どの方向に把持物体表面の法線ベクトルが存在するかを
知ることが不可欠であるが、上述した既提案の触覚セン
サでは、この接触位置及び法線の方向を簡易に検出する
のが困難である。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、上記触覚センサにおける物体の
接触位置及び法線の方向を簡易に検出することを可能に
し、それによって、法線と成す角が摩擦円錐を外れない
ような指先力ベクトルの範囲を規定し、接触位置情報と
の併用により、指の各関節における必要なトルクの目標
値をも決定できるようにした小型の触覚センサを得るこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため、本発明の触覚センサは、透明
板により形成されて、先端が半球状をなす導光部材を備
え、その導光部材の基端側端面に、導光部材内に光を導
入するための発光ダイオードを配設し、上記導光部材内
面には、多数の光ファイバーを束ねることにより形成し
た光ガイドの一端を、大径でしかも端面をその半球状内
面に沿う半球面状に形成して接触させ、その光ガイドの
他端は、細径に形成してその端面をイメージセンサの受
光面に対向させ、上記光ガイドは両端面において各光フ
ァイバーの端部が同じ配列状態を示すように形成し、上
記イメージセンサは、それが検出した映像に必要な処理
を施すための映像処理装置に接続し、前記導光部材の外
周には、薄い空気層の間隙を介して、少なくとも内面を
白い反射面とした弾性体シートからなるカバーを被着し
たことを特徴とするものである。

［作用］ 上記触覚センサは、ロボットの指の先端等に取付けて使
用するもので、その使用に際しては、透明な導光部材内
に発光ダイオードから光を導入し、導光部材内における
全反射により光がその中を繰返し通過する状態に保持さ
れる。

この触覚センサにおけるカバーが何らかの物体に接触し
て変形し、その接触部が導光部材に押し付けられると、
導光部材内で全反射していた光がそのカバーとの接触部
において乱反射し、その光が光ガイドを通してイメージ
センサにより映像として捉えられるため、その映像の処
理により、物体との接触状態を把握することができる。

この場合に、導光部材を半球状とし、その寸法が既知で
あることから、物体との接触部におけるスポット状の映
像の中心を検出することにより、センサに接触した相手
の面がどのような方向に向いているのかを、即ち接触点
と接触面の法線の向きを知ることができ、これをロボッ
トの指先に力を作用させる場合の力の方向を制御するた
めに有効に利用することが可能になる。

また、上記発光ダイオードや光ガイドの利用により、極
めて小型化された触覚センサを得ることが可能になる。

［実施例］ 第１図は、本発明に係る触覚センサの実施例を示してい
る。

この触覚センサは、アクリル樹脂または硝子等の透明板
により形成されて、先端の半球状部1aとそれに連設され
た円筒部1bとを有する導光部材１を備え、その円筒部1b
の基端側端部を取付枠２に固定し、取付枠２内におい
て、その円筒部1bの端面に、導光部材１内に光を導入す
るため多数の発光ダイオード３を列設している。上記導
光部材１は、これらの発光ダイオード３からの光をその
内部に導き、全反射により光が外部へ散逸するのを防止
するようにしたものである。そのため、この導光部材１
の外周においては、後述するカバーとの間に、効果的に
全反射させるための空気層４を介在させている。

一方、上記導光部材１内には、多数の光ファイバーを束
ねることにより形成したレンズ兼用の光ガイド７を配設
している。この光ガイド７は、束ねた光ファイバーの一
端を、大径でしかも端面が上記導光部材１の半球状内面
に接するような半球面状に形成し、他端を細径でイメー
ジセンサ（ＰＳＤ）８の受光面に接するような平面状に
形成したもので、両端面において各光ファイバーの端部
が同じ配列状態を示し、従って両端面間において大きさ
は違うが実質的に同じ形状の光情報が伝送されるもので
ある。

上記イメージセンサ８は、導光部材１を取付けるための
基体９内に収容して、光ガイド７の端面に対向するよう
に配設され、それが検出した映像に必要な処理を施すた
め、図示しない計算機等に接続されるものである。

前記導光部材１の外周に薄い空気層４により形成された
略一定の間隙を介して被設したカバー10は、少なくとも
その内面を白い反射面とした比較的柔軟な弾性体のシー
トにより形成したもので、触覚センサの感知部を構成し
ている。このカバー10は、それが適宜の物体に接触した
とき、容易に変形してその接触部が導光部材１に押し付
けられる程度の柔軟性を持たせたものである。

なお、必要に応じて空気層４には外部から空気を送入可
能とし、また発光ダイオード３にはそれを発光させるた
めの信号を与える導電線が接続され、イメージセンサ８
にはその出力を計算機に送るための信号線が接続され
る。図中、12はＯリング、13は光ガイド７を固定するた
めのモールド用樹脂を示している。

上記構成を有する触覚センサは、その先端の感知部を人
間の指先程度に形成し、これをロボットのハンド等に取
付けて使用するもので、その使用に際しては、透明な導
光部材１内に発光ダイオード３から光を導入し、導光部
材１内における全反射により光がその中を繰返し通過す
る状態に保持される。

この触覚センサにおけるカバー10が何らかの物体に接触
して変形し、その接触部が導光部材１に押し付けられる
と、導光部材１内で全反射していた光がそのカバー10と
の接触部において乱反射し、その光が光ガイド７を通し
てイメージセンサ８により映像として捉えられるため、
その映像を計算機で処理することにより、物体との接触
状態を把握することができる。

即ち、どのような形状のものが接触しているかは、光ガ
イド７を通して得られる映像の形状を解析することによ
って知ることができる。また、相手が比較的平坦な表面
を有する剛体である場合などには、接触部がスポット状
の明るい映像となって検出され、従ってその中心を見出
すことにより、接触部の中心を知ることができる。この
映像の中心は、映像の最も明るいところをとるとか、平
均処理により明るさの分布の重心をとるなどの手段によ
り決定することができる。

このように、スポット状の映像の中心を検出すると、導
光部材１を半球状とし、その寸法が既知であることか
ら、センサに接触した相手の面がどのような方向に向い
ているのかを、即ち接触点と接触面の法線の向きを知る
ことができる。

このような機能は、ロボットの指にこの触覚センサを付
けてその指を制御する場合に重要なものである。即ち、
指先に対して物体が接触したとき、指先に力が作用する
ためにそれを支持し、あるいはその物体を移動させるた
めに指先に力を作用させるが、その場合にどの方向に力
を作用させるかが問題であり、できるだけ物体の接触面
に垂直な方向に力を加えた方が、滑りが生じない。その
ため、上記機能により相手の面がどの方向に向いている
のかを検出すること、つまり接触点と法線の方向を見付
けることが必要になる。

上述した触覚センサによれば、導光部材１の基端側に発
光ダイオード３を列設しているため、他の光源を利用す
る場合に比して非常にコンパクト化され、しかもこの触
覚センサをロボット等の指先に取り付けるに際して、配
線等を少なくし、物体との接触位置及び法線の方向を簡
易に検出可能な触覚センサを有する指の小型化を達成す
ることができる。

さらに、多数のファイバーを束ねて、一端が大径でしか
も端面が半球面状をなし、且つ他端が細径に形成され、
両端面において各光ファイバーの端部が同じ配列状態を
示すように形成した光ガイド７を得ることが技術的に可
能であり、この光ガイドの利用も上述した指の小型化に
極めて有効である。

［発明の効果］ このように、本発明のよれば、物体との接触位置及び法
線の方向を簡易に検出することを可能にし、それによっ
て、法線と成す角が摩擦円錐を外れないような指先力ベ
クトルの範囲を規定し、指の各関節における必要なトル
クの目標値をも決定できるようにした小型の触覚センサ
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の触覚センサの実施例を示す断面図であ
る。 １…導光部材、1a…半球状部、 ３…発光ダイオード、４…空気層、 ７…光ガイド、８…イメージセンサ、 10…カバー。

フロントページの続き (72)発明者 堀口 千代春 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 菅原 武雄 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 審査官 江成 克己

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明板により形成されて、先端が半球状を
   なす導光部材を備え、その導光部材の基端側端面に、導
   光部材内に光を導入するための発光ダイオードを配設
   し、上記導光部材内面には、多数の光ファイバーを束ね
   ることにより形成した光ガイドの一端を、大径でしかも
   端面をその半球状内面に沿う半球面状に形成して接触さ
   せ、その光ガイドの他端は、細径に形成してその端面を
   でイメージセンサの受光面に対向させ、上記光ガイドは
   両端面において各光ファイバーの端部が同じ配列状態を
   示すように形成し、上記イメージセンサは、それが検出
   した映像に必要な処理を施すための映像処理装置に接続
   し、前記導光部材の外周には、薄い空気層の間隙を介し
   て、少なくとも内面を白い反射面とした弾性体シートか
   らなるカバーを被着したことを特徴とする触覚センサ。