JPH0663892B2

JPH0663892B2 - 圧覚認識制御装置

Info

Publication number: JPH0663892B2
Application number: JP59016772A
Authority: JP
Inventors: 忍鷺沢
Original assignee: 株式会社富士電機総合研究所
Priority date: 1984-01-31
Filing date: 1984-01-31
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPS60161539A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の属する技術分野］この発明は、圧覚センサを知能ロボットのハンドや自動
組立機のマニピュレータ、あるいは移動ロボットの足の
裏等に取付けて、人間における接触覚、圧覚、すべり覚
および硬さ覚等に相当する感覚を認識し、この認識に基
づいてロボットハンドやマニピュレータあるいは足の制
御を行わしめる圧覚認識制御装置に関する。

［従来技術とその問題点］人間に代って作業をするロボット等の手または足に加わ
る力は立体的で、且つある分布を持っている。そしてこ
の印加された力の大きさ、方向および受圧面での分布
は、ハンド（マニピュレータ）あるいは足の動きに伴っ
て変化する。人間はこの力に対する感覚、すなわち圧覚
だけでなく、接触覚、滑り覚および硬さ覚等も合せて持
っている。従って、機械のハンドあるいは足を人間と同
等に高度に制御するためには、人間の有するこれらの感
覚を機械が持つ必要がある。これらの中で、最も基本的
な感覚として必要なのは立体的な圧覚とその分布状態の
認識である。

ここで、立体的な圧覚とは受圧面に垂直な力だけでな
く、受圧面での２方向の力も含む合計３方向の力に対す
る感覚であり、更にハンドあるいは足の動作に伴う３方
向のモーメントに対する感覚を持つことが望まれる。こ
のような３方向の分力を検知する感覚を有するセンサと
しては第１図〜第３図に示すようなものが発表されてい
る。これらの従来のセンサは、弾性リング体や十字形板
ばね、あるいは弾性ブロックなどの弾性支持体１と、そ
の支持体の各方向に貼付けられた複数のストレンゲージ
３とからなるが、ハンドの把握する物体に比べて同等、
あるいはより大きな大きさ（例えば各稜の長さが100〜2
00mm程度）を有しているので、ハンドあるいは足の受圧
面に用いられず、もっぱら手首５あるいは足首に装着さ
れて、ハンドあるいは足の作用力全体の力を検出するこ
とに用いられているにすぎない。その結果、これらの従
来のセンサでは触覚、滑り覚、硬さ覚の検出は行い得
ず、このような感覚情報の必要な場合には、そのための
特別のセンサを別に受圧面に設ける必要があった。しか
し、それらの特別なセンサもかなりの大きさを有するた
め、受圧スペースや感覚位置の違い等によって手の掌に
相当する面積での大ざっぱな感覚情報が得られるにすぎ
ず、指に相当する部分の微妙な感覚情報を得ることはで
きなかった。

また、前述したように面状に分布した圧覚の認識ができ
ることが人間の感覚の特徴の一つである。ロボット等の
受圧面はある大きさを有し、被把握物が平面でなかった
り、ハンドあるいは足がある動きをする時には、受圧面
に作用する力は一様でない。そこで、圧覚も分布した状
態での認識が必要であり、その認識により受圧面積、力
の作用中心、およびその時間的な変化の感覚を持つこと
ができる。このような印加された力の分布が認識できる
感覚を有するセンサとしては、第４図〜第６図に示すよ
うなものが発表されている。まず、第４図(A)に示すセ
ンサは、導電性ゴムであるシリコンゴムコード15と金属
電極17とを用い、加圧力によりそのゴムコードの接触面
積に変化が起こり、抵抗値が変化することを利用してい
る。第４図(B)に示すセンサは、そのシリコンゴムコー
ド15と金属電極17とを格子状に配置し、ITV（工業用テ
レビ）などに用いられている走査方式を適用して検出し
ている。さらに、第５図に示すセンサは垂直方向に摺動
する多数の細い棒（ピン）19の先端が被検物体の形状に
応動して上下動する動きを、不図示の差動コイルやホー
ル素子によって検出することにより、３次元部品（立体
部品）の形状の認識を行う。

第６図(A)〜(D)に示すものはロボット用力覚センサとし
て応用できる導電性ゴムなどを用いたものである。第６
図(A)の例は導電性ゴムシート７と金属電極８とを組み
合わせたもので、基板９の上に絶縁性の電極支え9aを分
布配置してその各頂部に金属電極が取り付けられてい
る。電極支え9aの相互間にはスポンジゴムなどからなる
弾性材が分布して配されており、その頂部に可撓性の導
電性ゴムシートが接着ないし載置されている。容易にわ
かるように、荷重Ｆを受けた部位では弾性材が図の下方
に圧縮され、その撓みを導電性ゴムシート７と電極８と
の電気的接触により検知して荷重Ｆのかかった位置、な
いしはその分布を知ることができる。第６図(B)では弾
性シートとして構成された導電性ないしは感圧性のゴム
シート７の下方に基板９の面に点状に分布して設けられ
た多数の電極８が配されており、荷重Ｆが掛かった位置
の導電性ゴムシート７に電気接触する電極８を検出する
ことにより、荷重の掛かった位置ないしはその分布を検
知するものである。

第６図(C)の例では、絶縁性ゴムシート７の下面に導電
性ゴム7aが列状に埋め込まれており、これに対向して絶
縁性の基板９の上面には電極条８が行状に取付けられて
いる。荷重Ｆを受けたかかる行列の交点の位置で導電性
ゴム7aと電極条８が電気接触するので、接触点の位置分
布から荷重分布を知ることができる。第６図(D)はベリ
リウム銅などからなる金属の極薄板ないしは箔8aを電極
に用いた例で、この箔8a自身の弾性ないしはその絶縁性
覆い8cの弾性が利用される。この複合体が取付けられる
基体９は例えば金属製で、その周面の一部9cが電極面と
なっており、金属箔電極8aと基体９とは絶縁板8dにより
絶縁されている。荷重Ｆを受けたとき電極8aと覆い8cと
の複合体は撓んで電極箔8aが基体側の電極面9cと電気接
触するから、基体９に沿って多数の電極箔8aを配設して
おけば、荷重分布を知ることができる。

しかしながら、これらの従来のセンサは、いずれもセン
サの受圧面に垂直な方向の感覚のみしか有していない。
また更に、精密に分布状態を検出するためにはセンサの
各モジュールを小さくする必要があるが構造的に限界が
あって十分小さくできず、かつ主として用いられる導電
性ゴムの検出機構のために、印加された力に対する検出
出力の非直線性やダイナミックレンジの狭さがあるの
で、専ら接触の検出や受圧面積の検出、すなわち触覚セ
ンサとしてしか用いられず、人間の代用となる圧覚セン
サとしては不十分であった。従って、従来のセンサ装置
では、人間の感覚に近い圧覚認識制御は得られなかっ
た。

本発明の対象とする荷重分布検出器に要求される性能は
次の通りである。

(a)荷重検出単位体は寸法が数mm以下の小形のもので、
１個の分布荷重検出器中にかかる単位体ができるだけ高
密度で集積化されたものであること。

(b)荷重の分力を相互間の干渉なしによく分離して検出
できること。

(c)荷重と検出出力との関係が直線性で、測定のヒステ
リシス誤差がなく、かつダイナミックレンジすなわち測
定範囲が広いこと。

(d)荷重分布検出器自体の剛性が高く、荷重を受けたと
き変形して荷重分布が変わってしまうようなことがない
こと。

［発明の目的］この発明は、前述のような要求および前述のような従来
技術の持つ問題点に鑑みて、圧覚センサセルと受圧板か
らなり、各々印加された力の３方向分力を独立に検知し
得る微小な圧覚センサモジュールをアレイ状もしくはマ
トリック状の２次元状に高密度で配列した圧覚検出手段
を駆動制御対象のロボットのハンドあるいは足の裏等の
受圧面に取付けることにより、立体的な圧覚とその圧覚
の分布状態を直接検出することを可能とし、かつ検出し
て得られた信号群を所定のアルゴリズムで処理すること
によって、３方向分力のみでなく、３方向分力のモーメ
ント、力の作用中心、全体の作用力等を得ると共に、接
触覚、滑り覚および硬さ覚等も合せて認識し得ることが
できるようにし、更にこれらの感覚情報を同時に高速度
で認識し得るようにすることによってロボットのハンド
や足の機能を高度に制御し得ることを可能とするアルゴ
リズムを用いて、被把握物が変形しない程度の最小の把
握力での把握や衝撃のない被把握物の持ち上げ、あるい
は離し、被把握物の取付穴への挿入や回転等のような人
間の手や足の動作に相当する高度な動作制御を行うこと
のできる圧覚認識制御装置を提供することを目的とす
る。

［発明の要点］上記の目的を達成するために、本発明の圧覚認識制御装
置は、駆動制御対象の被把持物を把持する受圧面、もしくは該
駆動制御対象の被接触物に接触する受圧面、となる受圧
板と該受圧板の下に該受圧板に対し垂直な面を有するよ
うに固定され該垂直な面内に前記受圧面に印加された該
受圧面に垂直な方向の分力Ｆ_Ｚと該受圧面内の２つの直
交する主軸方向の分力Ｆ_ＸとＦ_Ｙとの合計３つの主軸方
向分力の各分力検出用のストレンゲージがそれぞれ形成
された少なくとも１個の圧覚センサセルとからなる圧覚
センサモジュールをアレイ状もしくはマトリックス状の
２次元状に高密度に基板上に配置して、前記圧覚センサ
モジュールの各々が前記受圧板を介して前記受圧面に印
加された力の３方向分力を該圧覚センサモジュール毎に
独立に検出する圧覚検出手段、該圧覚検出手段から順次取り出され所定の信号処理が施
され圧力単位の圧覚検出データに変換された検出信号
を、圧覚検出データとして前記３方向分力毎に前記受圧
面に対応して記憶する信号処理記憶手段、該信号処理記憶手段から読み出した前記圧覚検出データ
と、所定の基本演算アルゴリズムとにより演算された所
定の圧覚認識に必要な圧力の基本量データを記憶する１
次演算記憶手段、該１次演算記憶手段から読み出した前記基本量データ
と、前記信号処理記憶手段から読み出した前記圧覚検出
データと、所定の圧覚認識アルゴリズムとにより演算さ
れた所定の圧覚認識データを記憶する２次演算記憶手
段、前記駆動制御対象を駆動制御する外部制御手段、該外部制御手段からの指示データに応じて、前記２次演
算記憶手段から読み出した前記圧覚認識データと、前記
１次演算記憶手段から読み出した前記基本量データと、
前記信号処理記憶手段から読み出した前記圧覚検出デー
タと、所定の制御量演算アルゴリズムとにより演算され
た前記駆動制御対象の駆動制御に必要な制御量データを
記憶する３次演算記憶手段、前記圧力単位の圧覚検出データへの変換、前記圧力の基
本量データの演算、前記圧覚認識データの演算、および
前記制御量データの演算、をそれぞれ行う内部制御手
段、および該内部制御手段と前記外部制御手段間のデータの
交信を行うデータ交信手段、を具備するものとする。

［発明の実施例］以下、図面を参照してこの発明を詳細に説明する。

第７図はこの発明の実施例の要部を示す。ここで、20は
圧覚センサアレイの全体を示し、21は圧覚センサアレイ
20を構成する単位微細モジュールとしての圧覚センサモ
ジュールである。圧覚センサモジュール21は印加された
力を受ける上部受圧板23とその受圧板の下に固着した１
個または２個（または３個）の圧覚センサセル25とから
なる。圧覚センサセル25は、単結晶シリコンをリング状
等の形状の感圧構造体とし、この感圧構造体の受圧面、
すなわち、受圧板23と接する面に垂直な面に、複数個の
拡散形ストレンゲージ27を形成し、これらのストレンゲ
ージの抵抗値の変化によって、その受圧面に印加された
力の３成分F_z,F_x,F_yを検出する。上述の圧覚センサモジ
ュール２１を下部の共通基板29上に面アレイ状（マトリ
ックス状）に高密度に多数並べて固着し、圧覚センサア
レイ20を形成する。その際、圧覚センサセル25の下端部
を基板29上に形成した平行溝31またはそのセル毎に開け
た取付穴（不図示）に垂直に嵌め合せて固着すると、確
実な組込みが得られるので好ましい。圧覚センサモジュ
ール21からの出力信号は、基板29上にあるいはその近傍
に装着したスキャナ増幅器（集積回路）33によって順次
スキャンされ、かつ増幅されて、後述のマイクロコンピ
ュータのCPU（中央演算処理部）による処理を容易にし
ている。

圧覚センサセル25の拡散形ストレンゲージ27の配置は高
感度で、かつ他の２方向分力に対して理論的に影響を受
けない場所に設ける。例えば、受圧面に垂直な力の成分
F_zを検出する４個のストレンゲージを受圧面と平行な中
心線上の左右の外縁および内縁近くに形成し、受圧面に
平行な力の一成分F_xを検出する４個のストレンゲージを
上述の平行な線と直角の中心線の左右両方向に角度α°
傾いた２つの線上の外縁近くに形成し、受圧面に平行な
力の他の成分F_yを検出する４個のストレンゲージを上述
の角度α°傾いた２つの線上のリング中央近くの材料力
学的な中立軸上の位置に形成する。その角度α°は受圧
面に垂直な力のみが印加されたときに、ひずみを生じな
い位置の角度に選定され、例えば円形リングの場合は3
9.6°の近傍に選定される。また、これらのストレンゲ
ージ群は力の成分毎にそれぞれブリッジ結線され、力の
成分に応じた電気信号E_z,E_xおよびE_yを出力する。ここ
で、拡散形ストレンゲージ27を形成するストレンゲージ
形成面は圧覚センサセル25の片面だけでなく、両面も可
能であり、両面に分散形成した場合は配線密度が低くな
り、配線間のクロスを減少できる利点がある。さらに、
リングの外周と内周にもストレンゲージを形成すること
ができるが、平面のみに形成する方が製造が容易となる
のは明白である。

また、圧覚センサセル25は単結晶シリコンからなり、そ
のシリコン上に拡散形ストレンゲージ27を形成している
ので、一般的な従来のプレーナ技術（集積回路製造技
術）で容易に作成することができ、特性のよく揃った極
めて小形（例えば数mm〜1mm直径）のものが得られる。
例えば、所定の厚さ（例えば0.6mm）を有し、所定の伝
導形（例えばＮ形）と比抵抗（例えば１〜10Ω・cm）を
有し、かつ所定の結晶方位｛例えば{111}面｝を有する
単結晶シリコンウエハの圧覚センサセル相当領域に拡散
形ストレンゲージ群と金属配線とをマスクレスイオンビ
ーム加工やＡ蒸着などのプレーナ技術で形成した後、
ワイヤーソーカット法やレーザ加工あるいはエッチカッ
トなどの機械加工により圧覚センサセルを精度よく切り
出すことができる。従って、第７図に示すような圧覚セ
ンサモジュール21を例えば1cm²当り25〜100個程度の高
密度で基板29上に集積することができる。

上述のように、受圧面に印加された力の３成分を独立に
検出する圧覚センサセル25または圧覚センサモジュール
21を面アレイ状に形密度に多数並べて圧覚センサアレイ
20を形成しているので、印加された力を３方向の分力に
分解し、３方向分力の２次元分布をそれぞれ独立に高密
度で検出することができる。さらに、その際、圧覚セン
サセル25の拡散形ストレンゲージ27を高感度でかつ他の
２方向分力に対し理論的に影響を受けない場所に配置し
ているので、受圧面にかかる印加圧力の分力を相互間の
干渉なしによく分離して検出でき、また感圧構造体とし
て非常に秀れた単結晶シリコンを用いているので、印加
圧力と検出出力との間の直線性がよく、測定上のヒシテ
リシスがなく、かつダイナミックレンジが大きく、また
圧覚センサセル25の組合わせにより引張りおよび圧縮の
対として検出できる等の利点がある。

このように、セルの寸法を極小化して高密度集積化した
圧覚センサアレイ20を所定の受圧面、例えばロボットの
ハンドの手のひらや指あるいは足の裏または自動組立機
のマニピュレータの先端部等の受圧面に装着する。な
お、圧覚センサセル25の形状は第７図のものに限定され
ず、種々の形状が考えられる。例えば、列毎に各セルの
下部または上部の一部を一体に連結した短冊状の連結圧
覚センサセル群を用いた場合には、位置合せや固定等の
組込みが容易となるという利点が得られる。また、圧覚
センサセル25内の半導体ストレンゲージ27の出力は基板
29上の配線を通して外部に出されるが、高密度の圧覚セ
ンサアレイ20からの配線は莫大な数となるので、圧覚セ
ンサセル25内の配線、圧覚センサセル25と基板29の接合
部の配線や接続にそれぞれの工夫がなされている。例え
ば、圧覚センサセル25の両面にストレンゲージ27を検出
分力毎に分散配置するとか、単結晶シリコン基板部上に
反対の伝導形をもつエピタキシャル層を形成し、そのエ
ピタキシャル層にストレンゲージを形成し、エピタキシ
ャル層を貫通する拡散層を形成することにより、拡散層
および基板部をストレンゲージ27の電源配線の一部とし
て構成するとか、あるいはまた基板部29を多層にして電
源線と信号線を各層間に分離して配線し、電源線は溝部
31から圧覚センサセル25に接続させる等がなされる。

第８図はこの発明の実施例の全体を示す。図示のよう
に、マトリックス配線された圧覚センサアレイ20の各ポ
イントのブリッジ回路21Aから出力される３分力の大き
さに相当する電気信号E_x,E_yおよびE_zをスキャナ33Aで行
および列毎に順次高速に読み出す。その際、圧覚センサ
セル25内あるいは圧覚センサセルの取付穴あるいは基板
29上に、スキャナ33Aの行および列のアドレス信号（制
御電圧）で開閉するアナログスイッチ（不図示）を圧覚
センサモジュール21のブリッジ回路21A毎に設け、それ
らのアナログスイッチを選択的に動作させることにより
他の圧覚センサモジュール21の出力と混同しないように
している。また、同時に列毎に圧覚センサセル25への電
源供給制御を行えば電力消費が少なくなってなおよい。

スキャナ33Aにより読み出された圧力信号は増幅器33Bで
増幅され、アナログ−デジタル(AD)コンバータ41により
デジタル信号化された後、マイクロコンピュータのCPU
（μ・cpu）43に取り込まれて、ROM（リードオンリメモ
リ）45に格納した所定の演算式によりストレンゲージ27
の温度特性、感度の非直線性、セル25毎の感度のばらつ
き、および他方向分力の干渉等の補正がなされ、さらに
圧力単位に変換され、その変換された圧力データが各分
力毎に２次元に分布した圧覚データの形で整理されて時
系列に信号処理記憶装置47に記憶される。上述の温度補
償は圧覚センサセル25の近くに設けたサーミスター等の
温度センサの検出信号を用いて演算することにより求め
られる。

次いで信号処理記憶装置47から読み出した圧覚データと
ROM45にあらかじめ格納された基本演算アルゴリズムと
を用いて、μ・cpu43により、３方向の分力の分布（例
えば圧力の等高線や分布マップ）、合成全圧力（全部の
セル25に印加された圧力の総和で、全体の作用力に当
る）、圧力中心（その点の力のモーメントの総和が零と
なる重心点で、力の作用中心に当る）、３方向モーメン
ト、受圧面積（零でない圧覚データの総数とセル25の配
列ピッチから演算する）等を算出して、算出したこれら
の基本データを時系列に１次演算記憶装置49に記憶す
る。

さらに、上述の信号処理記憶装置47と１次演算記憶装置
49とに記憶されたデータと、ROM45にあらかじめ格納さ
れた基本演算アルゴリズムとを用いて、μ・cpu43によ
り、ロボットの手足の制御に必要な接触覚、滑り覚、被
接触物の形状、硬さ覚等を演算し、必要な演算結果を２
次演算記憶装置51に記憶する。接触覚（触覚）はあらか
じめ定めたある閾値を越えた信号で判断する。滑り覚は
圧覚データを記憶装置47および49に時系列的に格納した
ので、受圧面の圧力分布の時間的変化により把持力不足
による滑りが演算され、さらにROM45に格納された把持
制御演算アルゴリズム（把握アルゴリズム）により滑り
が起こらぬソフトハンドリング制御をハンド駆動機構53
に対して行うことができる。また、被接触物の形状の認
識は圧力分布の時間的変化と典型的な形状の認識アルゴ
リズムにより演算することにより得られる。さらに、受
圧板23の材質分布を適切に選定することにより、演算に
より対象物の弾性が求められ、材質判定や硬さ覚が得ら
れる。

一方、インタフェース57を介して上位コンピュータ59か
ら入力されるスーパーバイザリ指令または自律指令に応
じて、信号処理記憶装置47と１次および２次演算記憶装
置49および51とに記憶されたデータと、ROM45にあらか
じめ記憶されたロボットの基本動作アルゴリズム（作業
演算アルゴリズム）とを用いて、μ・cpu43により、高
速にロボットの円滑な走行、把握、持ち上げ、離す、挿
入、回転等の基本動作制御量（または制御位置）を算出
し、算出結果をインタフェース57を介して外部のロボッ
ト制御装置としての上位コンピュータ59に送信するとと
もに、必要な演算結果を３次演算記憶装置55に記憶す
る。上位コンピュータ59ではその算出した制御量または
制御位置データにもとづいてハンド駆動機構53を円滑に
駆動する。

このように、上位コンピュータ59の制御指令にもとづい
て、高速、高レスポンスかつ高精度でスーパバイザリ制
御および自律制御が行われるとともに、被把持物（例え
ば、果物）が変形しない程度の最小の把持力での把持
や、衝撃のない被把持物の持ち上げ、離し、被把持物の
取付穴への挿入、回転等の人間の手に相当する程度の高
度なソフトハンドリング動作をロボットハンド等に行わ
せることができる。また、ハンド駆動機構53からは掴ん
だ、持ち上げた、離した、挿入した、廻した等を内容と
するフィードバック信号が上位コンピュータ59に出力さ
れるが、これらのフィードバック信号に基づき圧覚認識
を行うのに必要な指令信号が外部の上位コンピュータ59
からインタフェース57を介してμ・cpu43送信される。
また、μ・cpu43による上述の種々の演算動作により外
部の上位コンピュータ59の負担は著しく軽減され、制御
動作の迅速化が行われ、円滑な制御が容易となる。な
お、演算制御に用いられる各記憶装置47,49,51および55
は独立に設けてもよいが、重複して共用することも可能
である。なおまた、スキャナ33Aおよび増幅器33Bは通常
センサアレイ20上か、またはその近くに設けるが、ADコ
ンバータ41、μ・cpu43、インタフェース57等のマイク
ロプロセッサ61は数チップのLSI（大規模集積回路）で
構成し、ハンド駆動機構53の近傍に設け、あるいはハン
ドの腕内等に収納できるようにする。

次に、この発明の装置で用いる上述した主な演算アルゴ
リズムの内容について説明する。

３方向モーメント第９図に示すように、物体71をはさむ両側の圧覚センサ
アレイ20,20の３分力の総出力Ｘ，Ｙ，ＺとＸ′，
Ｙ′，Ｚ′および両圧覚センサアレイ間の距離_ｚ，さ
らに同一平面位置に両圧覚センサアレイ20,20をおいた
ときのＹ方向出力Y,(Y)とその両アレイ間の距離_ｘと
により、次式を用いて３方向の各モーメントM_x,M_y,M_zを
求めることができる。

M_x＝（Y,Y′の差）×_ｚ M_y＝（X,X′の差）×_ｚ M_z＝（Y,(Y)の差）×_ｘこれらのモーメントは後述の物体の組立時のはめ合い、
偏荷重物体の把握、ねじ込み等の作業に欠かせない力学
値である。

滑り覚第10図に示すように、把握力の不足等で滑りが生ずる場
合にはセンサアレイ20の各モジュール21の力の分布が時
間t₀,t₀+Δｔ…と共に変化するのでその時系列変化を演
算すれば滑りを知ることができる。従って、後述のソフ
トハンドリングによる物体の把持および持ち上げのアル
ゴリズムとは関係なく、滑り防止制御を高速に行うこと
ができる。

形状の認識第11図(A)に示すように、物体71が平面の場合は把持力
ΣＰの増加（P₀→P₂）に対して受圧面の圧力分布73は変
らない。しかし、第11図(B)に示すように、物体71が柱
面の場合は把持力ΣＰの増加（P₀→P₂）に対して受圧面
の圧力分布73は一方向のみ変化する。また、第11図(C)
に示すように、物体71が球面の場合は把持力ΣＰの増加
（P₀→P₂）に対して受圧面の圧力分布73は全方向に変化
する。従って、受圧面の時間的変化の相違により形状を
認識することができる。なお、図中t₀は初期時、t₁,t₂
は増加した時間を示す。

弾性または材料の判定第12図に示すように圧覚センサアレイ20の上面受圧板23
上に異なる弾性パッド75（それぞれのコンプライアンス
をC₁,C₂とする）を置き、各センサの受ける加重をP₁,P₂
とすると把握される物体71のコンプライアンスC₀はの式で算出される。

ただし、の関係であり、このコンプライアンスC₀を物の選別また
はソフトハンドリングのアルゴリズムのデータに使用す
れば、物の選別やソフトハンドリングが可能となる。

このように、把握されている物体の弾性を判断し、間接
的に材質を推定することによって、保持される物体の変
形、破損を避けた最低把握力の制御すなわちソフトハン
ドリングが可能となり、また物の選別、必ずしも適格な
選別が可能でない場合もあるが、制御データとしてその
選別に使用可能となる。

物体の把握および持ち上げ第13図(A)に示すように物体71を持ち上げようとする力
Ｑは、各センサアレイ20での分力F_x,F_yの合成力の形で
求められる。物体が持ち上った後にはＱ＝Ｗとなる。ま
た、第13図(B)および(C)に示すように、把握力ＲはF_zの
形で求められる。すなわち、物体71とハンド77の間で滑
りがないためには、Ｑ≦μＲ＝μF_z（μ摩擦係数）を満
足しなければならない。今、ハンド77により物体71を掴
み、微小変位Δδだけハンドを持ち上げたとする。ここ
でΔδだけハンドを持ち上げるとは、あくまでハンドを
変位させることであって、このハンドの変位により物体
71が持ち上がった（床面79から離れた）ことを意味する
ものではない。

このΔδだけ持ち上げたときに、Ｒ≧Ｑ／μでなければ
Ｒを増す必要がある。

一方、Δδだけ持ち上げたときに、Ｒ≧Ｑ／μであれ
ば、次に滑りがあるか否かを判断する。元々、上記した
ように、Ｒ≧Ｑ／μは本来滑りがないことを示す条件で
あるが、この段階では、摩擦係数μは、未だ仮の値であ
る。従って、Ｒ≧Ｑ／μでも滑りある場合がある。

滑りがあると判断された場合は、Ｒを増して、滑りを生
じないμを新しく規定する。

滑りがないと判断された場合は、次にΔδ持ち上げる前
とＱと同じか、を判断する。これは、物体71が床面79よ
り離れハンドによって把握されると、それ以後はδの増
加に対してＱおよびＲの増加はないので、Ｑが同じか、
を判断することにより、物体71が床面79から離れたかを
確認するものである。ここで、Ｑが同じでなければ、物
体71が床面79から離れていないことになるので、さらに
Δδを増す。一方、Ｑが同じであれば、物体71は床面79
から離れていることとなる。

離れている、と判断された場合は、その離れの程度を確
認するため、物体を例えばΔδ／２下げる。ここで下げ
てもＱが同じであれば、下げた状態でも物体71が床面79
から離れていることになる。一方、下げたらＱが変化し
た場合は、Δδ／２以下しか離れておらず、Δδ／２下
げことにより物体71が再度床面79と接したこととなる。
つまり、Ｒによる持ち上げが不十分だったこととなるの
で、再びΔδ持ち上げ、前記の過程を繰り返す。

これらの関係をフローチャートで示したのが第14図であ
る。

また、物体を置く、離す時のソフトハンドリングは、上
述の場合の逆動作によって可能であり、衝撃なく物を離
すことができる。この際、別の近接センサで物体71の近
接の検出をしてΔδを小さくするか、あるいはハンドの
コンプライアンスを大きくすることによってソフトハン
ドリングがより容易となる。

挿入穴81へ物71を挿入する。あるいは、はめ合わせるなどは
組立作業の基本である。第15図(A)は、この動作の基本
形である。第15図(B),(C)はそれぞれ挿入が不完全な場
合を示し、挿入力Ｐに対して、あるモーメントＭを発生
する。このモーメントＭの大きさと方向を判断して第15
図(A)に示す理想的な正常な挿入、すなわちモーメント
Ｍが０になるように挿入物71を移動させる演算操作を行
う。

歩行制御センサとしての適用前項まではロボットハンドにこの発明によるセンサ装置
を適用した場合を述べたが、このセンサは第16図に示す
ように、ロボットの足の感覚センサとして歩行制御にも
適用できる。

(a)歩行時の身体の重心移動を検出し、最適時期に足を
上げる。

重心の移動−足の面圧分布から重心位置の時系列演算足の上げ下げ−第13図および第14図に示した物の持ち上
げと基本的に類似な演算 (b)歩行前進のための足のけり足の面圧および滑り覚を検出し、それに見合ったけりの
力（前進の力）を加える。

ただし、図のF_zは面圧、F_x蹴る力を示す。

［発明の効果］本発明によれば、上記の構成を採用した結果、人間にお
ける接触覚，圧覚、滑り覚および硬さ覚等に相当する感
覚を認識し、この認識に基づいて知能ロボットのハンド
や自動組立機のマニピュレータあるいは移動ロボットの
足等の制御を円滑に安全確実に行わせることができ、特
に、ソフトハンドリングのような高度なかつ高精度の動
作制御を容易に行うことができる効果が得られる。

また、本発明は、個々の圧覚センサモジュールによっ
て、水平方向のアレイ状分布を独立に検出することによ
って、実施例に記載されているように、３方向モーメ
ント，滑り覚，形状の認識等の種々の情報の加工が
可能となるという顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図(A),(B)、第４図(A),(B)、第５
図、および第６図(A),(B),(C),(D)はそれぞれ従来のセ
ンサを示す斜視図、第７図はこの発明の実施例の要部を
示す斜視図、第８図はこの発明の実施例の全体を示すブ
ロック図、第９図〜第16図はそれぞれこの発明で用いる
各種アルゴリズムの内容を示す説明図である。１……弾性支持体、３……ストレンゲージ、５……手首、７……導電性ゴムシート、 7a……絶縁性ゴムシート、８……金属電極、 8a……金属箔電極、 8c……絶縁性覆い、 8d……絶縁板、９……基板、 9a……電極支え、 9c……電極面、 15……シリコンゴムコード、 17……金属電極、 19……細い棒、 20……圧覚センサアレイ、 21……圧覚センサモジュール、 21A……圧覚センサモジュールのブリッジ回路、 23……受圧板、 25……圧覚センサセル、 27……拡散形ストレンゲージ、 29……基板、 33……スキャナ増幅器、 33A……スキャナ、 33B……増幅器、 41……アナログ−デジタルコンバータ、 43……マイクロコンピュータ中央演算処理装置（μ・cp
u）、 45……ROM（リードオンリメモリ）、 47……信号処理記憶装置、 49……１次演算記憶装置、 51……２次演算記憶装置、 53……ハンド駆動機構、 55……３次演算記憶装置、 57……インタフェース、 59……上位コンピュータ、 71……把握される物体、 73……圧力分布、 75……パッド、 77……ハンド、 79……床面、 81……穴。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動制御対象の被把持物を把持する受圧
面、もしくは該駆動制御対象の被接触物に接触する受圧
面、となる受圧板と該受圧板の下に該受圧板に対し垂直
な面を有するように固定され該垂直な面内に前記受圧面
に印加された該受圧面に垂直な方向の分力Ｆ_Ｚと該受圧
面内の２つの直交する主軸方向の分力Ｆ_ＸとＦ_Ｙとの合
計３つの主軸方向分力の各分力検出用のストレンゲージ
がそれぞれ形成された少なくとも１個の圧覚センサセル
とからなる圧覚センサモジュールをアレイ状もしくはマ
トリックス状の２次元状に高密度に基板上に配置して、
前記圧覚センサモジュールの各々が前記受圧板を介して
前記受圧面に印加された力の３方向分力を該圧覚センサ
モジュール毎に独立に検出する圧覚検出手段、該圧覚検出手段から順次取り出され所定の信号処理が施
され圧力単位の圧覚検出データに変換された検出信号
を、圧覚検出データとして前記３方向分力毎に前記受圧
面に対応して記憶する信号処理記憶手段、該信号処理記憶手段から読み出した前記圧覚検出データ
と、所定の基本演算アルゴリズムとにより演算された所
定の圧覚認識に必要な圧力の基本量データを記憶する１
次演算記憶手段、該１次演算記憶手段から読み出した前記基本量データ
と、前記信号処理記憶手段から読み出した前記圧覚検出
データと、所定の圧覚認識アルゴリズムとにより演算さ
れた所定の圧覚認識データを記憶する２次演算記憶手
段、前記駆動制御対象を駆動制御する外部制御手段、該外部制御手段からの指示データに応じて、前記２次演
算記憶手段から読み出した前記圧覚認識データと、前記
１次演算記憶手段から読み出した前記基本量データと、
前記信号処理記憶手段から読み出した前記圧覚検出デー
タと、所定の制御量演算アルゴリズムとにより演算され
た前記駆動制御対象の駆動制御に必要な制御量データを
記憶する３次演算記憶手段、前記圧力単位の圧覚検出データへの変換、前記圧力の基
本量データの演算、前記圧覚認識データの演算、および
前記制御量データの演算、をそれぞれ行う内部制御手
段、および該内部制御手段と前記外部制御手段間のデータの
交信を行うデータ交信手段、を具備したことを特徴とする圧覚認識制御装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の圧覚認識制御
装置において、前記駆動制御対象はロボットの手足また
は自動組立機のマニピュレータであり、前記基本量デー
タは、３方向分力の合成全圧力、圧力中心、圧力分布
図、受圧面積、３方向モーメントに関するデータであ
り、前記圧覚認識データは、接触覚、滑り覚、硬さ覚、
形状認識、材質認識に関するデータであり、前記制御量
データは、把持、持ち上げ、挿入、回転、離す、歩行に
関するデータであり、前記指示データは、掴んだ、持ち
上げた、挿入した、廻した、離した、歩いたに関するデ
ータであることを特徴とする圧覚認識制御装置。