JPH07140025A

JPH07140025A - 触覚センサ

Info

Publication number: JPH07140025A
Application number: JP5307523A
Authority: JP
Inventors: Youji Yamada; 陽滋山田
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 1995-06-02

Abstract

(57)【要約】【目的】圧力変換器を具備し、多軸力検出機能を有す
る触覚センサを提供する。【構成】平面視三角形の頂点の各々に圧力変換器１０
を配置し、その各々に当接するように押圧部材２６を配
設する。この押圧部材を三角形の頂点に対応する点で支
持すると共に、反対側に突出するコア部材２４を内蔵す
るように、触覚ヘッド２３を突出形成してセンサ素子１
を構成する。このセンサ素子を有する触覚センサにより
３軸力を検出できる。更にスリップ検出部材２５を内蔵
することにより、スリップ振動も検出し得る。そして、
上記センサ素子３個を三角形の頂点に配置して触覚セン
サを構成することにより回転スリップと並進スリップが
識別可能となる。圧力変換器１０は、絶縁弾性材料の弾
性フィルム１２に連通孔を穿設し、これに密着して抵抗
体フィルム１４を接合すると共に、上部電極１６を連通
孔に嵌合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は触覚センサに関し、特に
圧力変換器を具備し検出対象に対する多軸力を検出し得
る触覚センサに係る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボットハンドの把持力制御、あ
るいは検出対象との接触検出に供すべく、ロボットフィ
ンガに付与される合力及びモーメントベクトルを検出す
る多軸力センサが用いられる。一方、検出対象の表面形
状の検出には、一般的に分布圧力変換器（トランスジュ
ーサ）を備えた触覚センサが用いられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の各センサの機能
を兼備するセンサを構成することとすれば、各センサの
問題点を解消することができる。このため、多軸力検出
機能を備えた触覚アレーセンサが提案されているが、十
分な機能を有しているとは言えず、動的検出（例えば動
摩擦係数の検出）に必須なスリップ検出機能も有してい
ない。

【０００４】また、触覚センサには、検出対象との接触
圧力を検出し電気信号に変換する圧力変換器が必須であ
るが、上述の各センサ機能を兼備するのに適切な構成と
する必要があり、またノイズに影響されないように構成
することが肝要である。

【０００５】そこで、本発明は接触検出部に圧力変換器
を具備し、多軸力検出機能を有する触覚センサを提供す
ることを目的とする。

【０００６】また、本発明の別の目的は、簡単な構成で
耐ノイズ性に優れ触覚センサに好適な圧力変換器を提供
することを目的とする。

【０００７】更に、本発明の目的は、多軸力検出機能に
加えスリップ検出機能を有し、必要に応じ並進スリップ
と回転スリップを識別可能な構成とし得る触覚センサを
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の触覚センサは、少くとも平面視三角形の頂
点の各々に配置し圧力変化を電気信号に変換して出力す
る少くとも３個の圧力変換器と、該圧力変換器の各々に
当接するように配設する押圧部材と、該押圧部材の各々
を少なくとも前記三角形の各頂点に対応する３点で支持
すると共に、前記押圧部材に対して反対側に突出するコ
ア部材と、該コア部材を内蔵するように突出形成し頂部
で検出対象に当接する触覚ヘッドとを備ることとしたも
のである。

【０００９】前記触覚センサにおいて、圧力変換器は、
絶縁弾性材料のフィルムに連通孔を穿設して成る弾性フ
ィルムと、該弾性フィルムに密着して接合する抵抗体フ
ィルムと、該抵抗体フィルムに接合する可撓性の第１の
電極部材と、前記弾性フィルムの連通孔に嵌合すると共
に前記抵抗体フィルムに対して所定の空隙を介して対向
するように支持し、前記押圧部材が当接するように配設
する第２の電極部材を有し、該第２の電極部材に対し前
記第１の電極部材方向に付与する圧力を前記抵抗体フィ
ルムの接触抵抗の変化に変換し、該接触抵抗の変化に応
じた電気信号を出力するように構成するとよい。

【００１０】前記触覚センサにおいて、圧電材料でフィ
ルム状に形成したスリップ検出部材を、前記コア部材と
前記押圧部材の各々との間に介装した状態で前記触覚ヘ
ッドに内蔵してセンサ素子を構成することが望ましい。

【００１１】更に、前記触覚センサにおいて、前記圧力
変換器を正三角形の頂点に各１個及び各辺に等間隔で２
個ずつ配置すると共に、前記正三角形の頂点に配置され
た前記圧力変換器を含み、隣接する３個の前記圧力変換
器の各々に当接するように３個の前記触覚ヘッドを形成
してセンサ素子を計３個構成し、該３個のセンサ素子の
各々を構成する３個の前記圧力変換器の変換出力に基づ
き前記検出対象に対する３軸力を検出すると共に、前記
センサ素子の各々を構成する３個の前記圧力変換器の変
換出力に基づき前記センサ素子の各々に対する３軸力を
求め、該３軸力の合成結果に基づき前記検出対象の並進
スリップと回転スリップを識別するように構成すること
ができる。

【００１２】尚、上記の触覚センサにおいては、前記弾
性フィルムをポリイミドフィルムとし、前記触覚ヘッド
をシリコンゴムで形成することが望ましい。また、前記
スリップ検出部材をポリフッ化ビニリデンによってフィ
ルム状に形成するとよい。

【００１３】

【作用】上記の構成になる触覚センサにおいては、触覚
ヘッドの頂部に検出対象（図示せず）が接触し荷重が付
与されると、接触圧力がコア部材を介して少くとも３個
の押圧部材に伝達され、各押圧部材に当接する圧力変換
器が夫々押圧される。これにより、各圧力変換器に付与
される押圧力に応じた電気信号が出力される。而して、
各圧力変換器の出力に基づき検出対象に対する３軸力を
求めることができる。

【００１４】請求項２の構成になる圧力変換器において
は、押圧部材によって、第２の電極部材に対し第１の電
極部材方向に圧力が付与されると、第２の電極部材は弾
性フィルムの連通孔内を所定の空隙分移動した後、抵抗
体フィルムに当接する。そして、第２の電極部材に対し
て更に圧力が付与されると、圧力に応じて抵抗体フィル
ムの接触抵抗が変化する。而して、第２の電極部材に対
する圧力変化が抵抗変化に変換され、例えば電圧出力と
して出力される。

【００１５】更にスリップ検出部材を触覚ヘッドに内蔵
してセンサ素子を構成する触覚センサにおいては、所謂
スティックスリップも含め検出対象との間のスリップ振
動も検出することができる。

【００１６】上述の構成になるセンサ素子を３個構成し
た触覚センサにあっては、３個の触覚ヘッドが当接した
検出対象の情報が各々の３個の圧力変換器及び各々のス
リップ検出部材を介して検出される。即ち、各センサ素
子において３個の圧力変換器の各々に付与される押圧力
に応じた出力が得られ、この出力に基づき検出対象に対
する各々の３軸力を求められると共に、スリップ振動も
検出される。更に、３個のセンサ素子における各々の３
個の圧力変換器の変換出力に基づき各々のセンサ素子に
対する３軸力が求められ、これらの３軸力の合成結果に
基づき並進スリップと回転スリップが識別される。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１乃至図６は本発明の触覚センサの一実施例に
係るものであるが、先ず図３を参照して本実施例に供す
る圧力変換器の一実施例について説明する。本実施例の
圧力変換器１０は、ポリイミドによって所定形状に形成
された弾性フィルム１２、弾性を有する抵抗体でフィル
ム状に形成された抵抗体フィルム１４、及び例えば銅板
で形成された可撓性の下部電極１５の三層から成る基板
を有し、弾性フィルム１２と抵抗体フィルム１４との間
に接着剤層１３が形成されている。

【００１８】弾性フィルム１２は例えば２２μｍのポリ
イミドフィルムで、この弾性フィルム１２に例えば円形
の連通孔１２ａが穿設されている。この連通孔１２ａに
円柱状の上部電極１６が摺動自在に嵌合され、上部電極
１６の側面にはリード線１７が接合されている。従っ
て、上部電極１６は抵抗体フィルム１４との間に所定の
空隙（約１０μｍ）が形成された状態で保持されてい
る。尚、上部電極１６に圧力が付与されていない状態
で、上部電極１６と抵抗体フィルム１４が接触しない限
り、両者間の空隙は略零に設定してもよい。また、本実
施例の上部電極１６は例えば直径２ｍｍで厚さ１８μｍ
の銅製の円柱体であるが、他の部材と接合することとし
てもよい。而して、下部電極１５が本発明の第１の電極
部材に相当し、上部電極１６が第２の電極部材に相当す
る。

【００１９】本実施例では、図４に示すように、弾性フ
ィルム１２に対し平面視正三角形の頂点の各々に連通孔
１２ａが形成されると共に、各連通孔１２ａに夫々上部
電極１６が嵌合されて後述のセンサ素子１に供する一ユ
ニットが構成され、このユニット３個で更に正三角形を
構成するように配置されている。結局、上部電極１６が
正三角形の頂点及び各辺に等間隔で計９個配置されてい
る。

【００２０】而して、例えば押圧部材２６（後述）によ
って上部電極１６に対し、下部電極１５方向に圧力が付
与されると、上部電極１６は弾性フィルム１２の連通孔
１２ａ内を上記空隙分移動した後、抵抗体フィルム１４
に当接する。上部電極１６に対して更に圧力が付与され
ると、圧力に応じて抵抗体フィルム１４の接触抵抗が変
化する。これにより、上部電極１６に対する圧力変化が
抵抗変化に変換され、後述するように電圧出力として出
力される。

【００２１】上記の圧力変換器１０は、図１及び図２に
示すように、触覚センサを構成するセンサ素子１の各々
に供される。図１において、圧力変換器１０の上方に
は、検出対象に接触する接触部材２０が配設されてお
り、接触部材２０はフィルム状のシリコンゴム製のベー
スフィルム２２を有し、これと一体的に半球状の触覚ヘ
ッド２３が上方に突出形成されている。触覚ヘッド２３
にはコア２４及びスリップ検出部材２５が内蔵され、押
圧部材２６が下方に突出するように保持されている。

【００２２】押圧部材２６は例えばシリコンゴムによっ
て半球状に形成され、各圧力変換器１０の上部電極１６
の略中心に頂部が当接する位置に配置されている。そし
て、これらの押圧部材２６を支持する三点を含み正三角
形の平面形状を有する台座部と、この台座部から上方に
延出する支持部を有する剛体のコア２４が設けられてい
る。尚、コア２４の支持部の先端は検出対象の表面粗さ
を検出するためかなり鋭く形成されている。

【００２３】更に、このコア２４の台座部を含む大きさ
の円板状に形成されたスリップ検出部材２５が、コア２
４の台座部と押圧部材２６との間に介装される形で配設
されている。而して、これらコア２４、スリップ検出部
材２５及び押圧部材２６が所定の位置関係に配置された
後、シリコンゴムによって一体成型され、半球状の触覚
ヘッド２３を備えた接触部材２０が形成される。尚、触
覚ヘッド２３及び押圧部材２６は何れも半球状に形成さ
れており、頂部は球面であることが望ましいが、他の形
状としてもよい。

【００２４】コア２４は押圧部材２６を支持すると共に
反対方向に延出する支持部を有しておればよく、必ずし
も図３に示す形状とする必要はない。例えば、正四面
体、正三角形の板体から垂直に棒状の支持部材を接合し
たもの、所謂テトラポッド形状のもの等種々の形状のも
のを採用することができる。スリップ検出部材２５とし
ては、本実施例では有機圧電材料のポリフッ化ビニリデ
ン（ＰＶＤＦ）フィルムの上面及び下面に電極用のアル
ミニウム（図示せず）が蒸着されたものが用いられ、こ
れがコア２４の下面に接合され、その下面に３個の押圧
部材２６が接合された状態で触覚ヘッド２３が一体成型
されるように構成されている。尚、スリップ検出部材２
５は円板状に限らず、コア２４の台座部を包含する大き
さであればどのような形状でもよく、例えばコア２４の
台座部の底面形状と略同一形状に形成してもよい。

【００２５】図５はセンサ素子毎の検出回路を示すもの
で、スリップ検出部材２５の出力は、例えばオペアンプ
を用いたＩ−Ｖコンバータ３１（以下、変換回路３１と
いう）によって電流−電圧変換され電圧信号として出力
され、これに基づき触覚ヘッド２３の検出対象に対する
スリップ振動が検出される。また、上部電極１６に対す
る押圧力は抵抗体フィルム１４の接触抵抗の変化に変換
され、変換回路３２を介して電圧信号として出力され
る。変換回路３２は、抵抗体フィルム１４を可変抵抗と
して固定抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と共に構成されたブリッ
ジ回路を有し、このブリッジ回路に電源電圧Ｖ_ccが印加
され、その出力が差動増幅器を介して電圧Ｖｆ₁₁として
出力されるように構成されている。尚、この出力電圧に
基づき各押圧部材２６に付与された押圧力が検出され、
これらの検出結果に基づき３軸力が演算される。

【００２６】上述の構成になる３個のセンサ素子１，
２，３は図２に二点鎖線で示したように、各々の上部電
極１６が図２に破線で示した小さい正三角形の各々を形
成し、これら３個のセンサ素子１，２，３によって図２
の大きな正三角形を形成するように配設される。従っ
て、図３及び図４に示す接触部材２０には３個の触覚ヘ
ッド２３が図２の大きな正三角形に対応するように設け
られている。そして、これらの３個のセンサ素子１，
２，３を一組とし、これらを囲繞するように接触部材２
０の周縁部と弾性フィルム１２の周縁部が接合され、触
覚センサが構成される。

【００２７】そして、図６に示すように各センサ素子の
リード線が検出回路４０に接続され、ここで入出力処
理、記憶、演算が行なわれる。検出回路４０は図６に示
すように構成され、各圧力変換器１０に接続される上述
の変換回路３１を有し、従って各センサ素子毎に３つの
変換回路３１が設けられている。また、各センサ素子毎
に上述の変換回路３２を有する。更に、検出回路４０は
マイクロプロセッサ４１，メモリ４２，タイマ４３，イ
ンターフェース４４等を内蔵しており、インターフェー
ス４４に変換回路３１，３２が接続されている。尚、各
変換回路３１，３２の出力については必要に応じ増幅、
Ａ／Ｄ変換等が行なわれるが、これらの回路はインター
フェース４４に包含されるものとし、説明は省略する。

【００２８】而して、検出回路４０においては、各セン
サ素子の出力が電圧信号に変換された後、マイクロプロ
セッサ４１で実行されるプログラムに従って各センサ素
子の３軸力が演算されると共に、スリップ振動の有無が
判定され、更に回転スリップと並進スリップの判別が行
なわれる。この検出回路４０内の処理については後述す
る。尚、本発明の触覚センサに供する圧力変換器として
は上記図３に示した圧力変換器１０に限らず、圧力変化
を電気信号に変換するものであれば、例えば静電容量セ
ンサ等、種々の圧力変換器を用いることができる。

【００２９】次に、上述の構成になる触覚センサの作動
を説明する。先ず、触覚ヘッド２３の頂部に検出対象が
当接すると、接触圧力がコア２４を介して３個の押圧部
材２６に伝達され、各押圧部材２６に当接する上部電極
１６が下部電極１５方向に押圧される。これにより、各
圧力変換器１０が作動し、各々に付与される押圧力に応
じた出力が得られる。そして、３個の圧力変換器１０の
出力に基づき触覚ヘッド２３に対する３軸力が演算され
る。また、スリップ検出部材２５によって所謂スティッ
クスリップも含め触覚ヘッド２３と検出対象との間のス
リップ振動も検出される。そして、後述するように、３
個のセンサ素子１，２，３の各々を構成する３個の圧力
変換器１０の出力に基づき各々のセンサ素子の３軸力Ｆ
₁，Ｆ₂，Ｆ₃が求められ、これらの３軸力に基づき並
進スリップと回転スリップが識別される。

【００３０】上記センサ素子１，２，３における押圧部
材２３による圧力変換器１０の圧力変換は以下の原理に
基づいて行なわれる。先ず、半径Ｒ_nの弾性半球状押圧
部材と半無限面との間の主接触力学はハーツィアン（He
rtzian）の接触力学を用いて解析することができる。図
７は解析に供する２次元接触状態を示すもので、ｘ＝０
でＺ軸の値がＣn からＯに至るまで、接触面上に楕円形
に分布する力によって生ずる、（ρ，θ，ζ）点での歪
みの増加量ｄε_zを積分すると、合計歪δ_zは数１のよ
うに表される。

【数１】ここで、Ｅ及びνは夫々シリコンゴム製押圧部材の弾性
係数及びポアッソン比を表す。これはα＝ｓｉｎΘ＝ａ
／Ｒ_nの関数であり、接触半径は、圧縮歪δ_cが接触円
の半径ａに依存しないと仮定することによって得られ
る。即ち、下記数２及び数３に示すとおりである。

【数２】

【数３】而して、半球状の弾性押圧部材の接触に起因する抵抗体
フィルムの抵抗Ｒ_eは下記数４に示すように求められ
る。

【数４】ここで、ρ_e及びｔは夫々抵抗率及び抵抗体フィルムの
厚さを表す。押圧部材としては、広い範囲で圧力を検出
するため、引張強度５．５×１０⁶（Ｎ／ｍ²）のかな
り剛性のあるシリコンゴムが用いられる。

【００３１】図８は外力Ｆが触覚ヘッドの頂部に付与さ
れる場合の平衡状態にある触覚ヘッドの静力学を示すも
ので、図９の２次元力学と等価である。Ｍ点（−１／
２，０，０）で作用する力ベクトルＦ_M、押圧部材の二
つの点Ｂ点（−１／２，√３／２，０）及びＤ点（−１
／２，−√３／２，０）で作用する力ベクトルＦ_B及び
Ｆ_Dは下記数５に示す関係にある。

【数５】二つの触覚ヘッドの間のゴム結合の剛性は等価ばね定数
Ｋ_Sで表される。また、Ｚ軸方向の弾性押圧部材の剛性
は等価ばね定数Ｋ_Cで表される。これらは下記数６に示
すように剛性マトリックスＫの要素として表され、合成
剛さとして機能する。

【数６】

【００３２】触覚ヘッド頂部のＺ成分γは、半球の半径
が均等であるとき高さの比である。力Ｆ，Ｆ_A及びＦ_M
（−Ｚ方向で＋Ｆ_n）は下記の数７乃至９で表される。

【数７】

【数８】

【数９】ここでΔ_f及びΔ_mは回転角Ψが小と仮定したときのモ
ーメントベクトルによって生ずる直線変位である。Ｆと
（Ｆ_A，Ｆ_M）の関係は、力及びモーメントの平衡状態
下で未知回転中心Ｃ（Ｘ_C，Ｚ_C）と回転角Ψとが等し
いとすることによって求めることができる。３次元空間
の点Ａ，Ｂ及びＤにて３個の押圧部材の圧力情報が得ら
れるので、３個の押圧部材に作用する力Ｆ及びＺ成分の
関係Ｆ_Z＝（Ｆ_AZ，Ｆ_BZ，Ｆ_DZ）は下記数１０及び数１
１に示すとおりである。

【数１０】

【数１１】

【００３３】上記数１０及び数１１における力成分（Ｆ
_t，Ｆ_n）は３次元で表すとＦ＝（Ｆ_X，０，Ｆ_Z）に
相当する。Ａ方向と同様に同じ力をＢ及びＤ方向に付与
すると、上記数１０及び数１１は、以下の数１２乃至数
１６のように表される。

【数１２】

【数１３】

【数１４】

【数１５】

【数１６】従って、ＦはＦ_Zを検出することによって数１７のよう
に演算することができる。

【数１７】

【００３４】次の直列接続の二つの伝達関数は、重ね合
される多数の周波数の中から対象面の主空間周波数を取
り出す際にスリップ検出性能を決定する。即ち、触覚ヘ
ッドの動的特性並びにスリップ検出部材及びＩ−Ｖコン
バータの感度である。後者のスリップ検出部材はもとも
とハイパスフィルタ性能を有しており、高周波の小さな
振動も検出することができる。従って、触覚ヘッドの動
的特性を解析することはスリップ検出の高感度性の確保
に寄与することになる。前述の静力学と同じモデルを用
いてセンサの高感度性を得るための主振動モードを解析
した。

【００３５】触覚ヘッドがその平衡状態において小さな
動きをしたと仮定すると、運動エネルギーＴ及び位置エ
ネルギーＶは下記数１８及び数１９に示すように表わさ
れる。

【数１８】

【数１９】ここで、この場合の一般座標ｑはｑ＝（ Δ_f ^T，Ψ）
^Tで表され、慣性マトリックスＩ_n及び剛性マトリック
スＳ_tは次の数２０及び数２１のように求められる。
尚、右肩に付したＴは転置を意味する。

【数２０】

【数２１】ここで、ｍ及びＩ_Cは質量及び回転中心Ｃ回りの慣性モ
ーメントである。前述の二つの式（数１８及び数１９）
をラグランジュの運動方程式に置換すると数２２のよう
になる。

【数２２】ここでＱは一般化力のコラムベクトルを示す。自由振動
は下記の数２３を満足するω_Sで生じ、自然周波数ｆ_Si
（＝ω_S／２π，ｉ＝１，２，３）が下記数２４乃至数
２６のように求められる。

【数２３】

【数２４】

【数２５】

【数２６】

【００３６】本実施例ではｆ_S1＝１．２ｋＨｚ，ｆ_S2＝
３．９ｋＨｚ，ｆ_S3＝６．３ｋＨｚである。触覚ヘッド
の動的作用を考慮に入れて対象表面のスリップ速度Ｖ_S
を決定することが望ましい。単にスリップ検出の高感度
化のため、表面粗さを表す対象表面ｆ₀の主空間周波数
に、触覚ヘッドのスリップ速度を乗じた値が自然周波数
ｆ_S（＝ｆ_O・ｖ_S）となる。逆に、例えば二つの対象
以上の表面粗さがＦＥＴを用いたセンサ出力の振幅によ
って比較される場合には、ｆ_S＝ｆ_O・ｖ_Sを満足する
スリップ速度は回避されるべきである。

【００３７】センサ素子の出力−荷重特性は図１０に示
すように非線形を示す。０．１Ｎまでの小さい荷重に対
する不感領域は予負荷によって除去することができる。
ポリイミドフィルムの粘弾性は、応力緩和によるヒステ
リシスを伴う。動的特性はヒステリシスを示すだけでな
く飽和性を示すので、図１１に示す特性を表現するには
記述関数が用いられる。図１１の横軸はヒステリシスｈ
と規格化入力Ｘとの比（ｈ／Ｘ）を表し、縦軸は規格化
入出力振幅比Ｎを表す。周波数が７０Ｈｚまでは良好な
動的応答性が得られるが、低周波数では大きなヒステリ
シスが生ずる。

【００３８】図１０の３軸力検出の静特性は、等しいＦ
_t及びＦ_nを有する外力が、高さ割合γが１の触覚ヘッ
ドに付与されたときのもので、外力が増加すると顕著な
干渉（クロストーク）が現れ始める。

【００３９】図１２及び図１３は固定センサに対する対
象物のスリップ速度に応じたスリップ検出の感度を示
す。実験では図１２の歪率センサの出力に対し、付与さ
れた垂直力は一定で（１．２Ｎ）、スリップ速度は１０
ｍｍ／ｓであったが、図１３の歪率センサではスリップ
速度のみが１００ｍｍ／ｓに変化した。両センサは同一
面上を摺動したので同じ振動パターンを形成したが、振
幅に大きな相違が生じた。実験に用いたサンプルの表面
粗さに対応すると思われた主空間周波数は約１０ｍｍ^-1
である。図１３の実験では周波数ｆ_S( ＝ｆ_O・ｖ_S）
が触覚ヘッドの自然周波数に近づき、振幅は大きくなっ
た。

【００４０】上述のスリップは並進スリップのみに関す
るものであるが、ロボットにおいて対象物を把持し直す
ためには把持力を増大すると共に回転スリップを検出す
る必要があるので、回転スリップと並進スリップを識別
することが重要である。最大仕事不等式によれば、接線
面上のスリップ速度の方向は同面から延びる摩擦力成分
の方向と等しい。従って、センサ素子の力ベクトルの方
向に基づきスリップ振動の方向を推定することができ
る。本実施例では、３軸力検出機能を有する３個のセン
サ素子を備えているので、回転スリップと並進スリップ
を識別することができる。力の分布はベクトル場と下記
数２７で得られる値ＲＳとして定められる。

【数２７】ここで、ｅ_zは接触面に垂直な単位ベクトルである。

【００４１】図１４は回転スリップを表し、図１５は並
進スリップを表す。両図の各柱体は各センサ素子から得
られた圧力データを表す三つのヒストグラムから成る。
柱体の高さはセンサ素子に加わる圧力に相当し、各柱体
の頂部の面は対応する力ベクトルの方向を示す。数２７
で得られる値ＲＳは図１４では夫々０．２５，−０．６
１，０．３４であったが、図１３では夫々−０．０３
８，−０．０５，０．０７５であった（単位Ｎ／ｍ
ｍ）。この差によって回転スリップと並進スリップを識
別できる。

【００４２】図１６は、上述の原理に基づいて行なわれ
る検出回路４０による一連の演算処理を示すもので、初
期化等、一般的な処理は省略している。先ず、ステップ
１０１において各センサ素子の各々を構成する３個の圧
力変換器１０の変換回路３２の出力電圧が検出される。
即ち、図６に示すセンサ素子１の出力電圧Ｖｆ₁₁，Ｖｆ
₁₂，Ｖｆ₁₃、センサ素子２の出力電圧Ｖｆ₂₁，Ｖｆ₂₂，
Ｖｆ₂₃及びセンサ素子３の出力電圧Ｖｆ₃₁，Ｖｆ₃₂，Ｖ
ｆ₃₃が検出される。これらの各センサ素子の出力電圧
は、抵抗体フィルム１４の抵抗変化、ひいては各センサ
素子に付与される圧力変化に対し所定の関数に従って変
化するので（図１０参照）、例えばセンサ素子１の出力
電圧Ｖｆ₁₁，Ｖｆ₁₂，Ｖｆ₁₃に応じて、センサ素子１の
３つの圧力変換器１０が配置された各点に付与される圧
力が求められる。而して、この３点の圧力を成分とする
ベクトル力（上述の数１７のＦ_Z）が求められ、センサ
素子１のＦ_Zの値としてＦ_Z1が得られる。同様に、セン
サ素子２及び３について夫々Ｆ_Z2 ，Ｆ_Z3が得られる。
続いて、ステップ１０２に進み、これらの値Ｆ_Z1，
Ｆ_Z2，Ｆ_Z3に応じて、上述の数１７に基づきセンサ素子
１，２，３に対する３軸力Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃が演算され
る。

【００４３】次に、ステップ１０３において、図６に示
す３つの変換回路３１の出力電圧Ｖｓ₁，Ｖｓ₂，Ｖｓ
₃が検出され、ステップ１０４において夫々所定値Ｋｐ
と比較される。尚、ステップ１０４におけるＶｓｉはＶ
ｓ₁，Ｖｓ₂，Ｖｓ₃の何れかを示す。ステップ１０４
において出力電圧Ｖｓ₁，Ｖｓ₂，Ｖｓ₃の何れかが所
定値Ｋｐ以上と判定されたときにはスリップ振動が生じ
ていると判定され、ステップ１０５以降に進む。

【００４４】ステップ１０５においては、３軸力Ｆ₁，
Ｆ₂，Ｆ₃に応じて上述の数２７に基づき判定値ＲＳが
演算される。次に、この判定値ＲＳが所定値Ｋｒ（例え
ば、０．１）と比較され、所定値Ｋｒ以上であれば回転
スリップと判定され（ステップ１０７）、所定値Ｋｒを
下回っている場合には並進スリップと判定される（ステ
ップ１０８）。尚、上記ステップ１０１，１０２の処理
はステップ１０４とステップ１０５の間に行なうことと
してもよい。

【００４５】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で以下の効果を奏する。即ち、本発明の触覚センサにお
いては、触覚ヘッドの頂部の接触圧力がコア部材を介し
て少くとも３個の押圧部材に伝達され、各圧力変換器が
作動するように構成されているので、検出対象に対する
３軸力を良好な精度で求めることができる。

【００４６】また、本発明に供される圧力変換器によれ
ば、第２の電極部材に対する第１の電極部材方向への圧
力変化が抵抗体フィルムの接触抵抗の変化に変換される
ように構成されているので、検出対象との接触を良好な
検出精度で検出し得ると共に、安定した出力特性を確保
することができる。

【００４７】触覚ヘッドに更にスリップ検出部材を内蔵
してセンサ素子を構成する触覚センサにおいては、所謂
スティックスリップも含め検出対象との間のスリップ振
動も検出することができる。更に、３個のセンサ素子を
備えた触覚センサにおいては、各圧力変換器により検出
対象に対する３軸力を良好な精度で求めることができる
と共に、検出対象のスリップ振動も適切に検出すること
ができる。しかも、３個のセンサ素子の出力に基づき、
並進スリップと回転スリップが識別可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の触覚センサを構成するセン
サ素子の断面図である。

【図２】本発明の一実施例の触覚センサを構成するセン
サ素子の組付状態を示す斜視図である。

【図３】本発明の一実施例における圧力変換器の一実施
例を示す断面図である。

【図４】本発明の一実施例における圧力変換器の一実施
例を示す平面図である。

【図５】本発明の一実施例の触覚センサを構成するセン
サ素子毎の検出回路の回路図である。

【図６】本発明の一実施例における触覚センサの構成を
示すブロック図である。

【図７】本発明の一実施例における触覚センサの解析に
供する二次元接触状態を示す図である。

【図８】本発明の一実施例の触覚センサにおける触覚ヘ
ッド頂部の静力学系を示す図である。

【図９】図８の静力学系と等価な２次元力学系を示す図
である。

【図１０】本発明の一実施例の触覚センサの垂直荷重−
出力特性を示すグラフである。

【図１１】本発明の一実施例における圧力変換器の動的
特性を示すグラフである。

【図１２】本発明の一実施例の触覚センサによるスリッ
プ検出状況を示すグラフである。

【図１３】本発明の一実施例の触覚センサによるスリッ
プ検出状況を示すグラフである。

【図１４】本発明の一実施例における回転スリップ時の
力ベクトル場を示す図である。

【図１５】本発明の一実施例における並進スリップ時の
力ベクトル場を示す図である。

【図１６】本発明の一実施例の触覚センサにおける検出
回路の処理を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１，２，３センサ素子１０圧力変換器１２弾性フィルム１３接着剤層１４抵抗体フィルム１５下部電極（第１の電極）１６上部電極（第２の電極）１７リード線２３触覚ヘッド２４コア２５スリップ検出部材２６押圧部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少くとも平面視三角形の頂点の各々に配
置し圧力変化を電気信号に変換して出力する少くとも３
個の圧力変換器と、該圧力変換器の各々に当接するよう
に配設する押圧部材と、該押圧部材の各々を少なくとも
前記三角形の各頂点に対応する３点で支持すると共に、
前記押圧部材に対して反対側に突出するコア部材と、該
コア部材を内蔵するように突出形成し頂部で検出対象に
当接する触覚ヘッドとを備えたことを特徴とする触覚セ
ンサ。
【請求項２】前記圧力変換器が、絶縁弾性材料のフィ
ルムに連通孔を穿設して成る弾性フィルムと、該弾性フ
ィルムに密着して接合する抵抗体フィルムと、該抵抗体
フィルムに接合する可撓性の第１の電極部材と、前記弾
性フィルムの連通孔に嵌合すると共に前記抵抗体フィル
ムに対して所定の空隙を介して対向するように支持し、
前記押圧部材が当接するように配設する第２の電極部材
とを備え、該第２の電極部材に対し前記第１の電極部材
方向に付与する圧力を前記抵抗体フィルムの接触抵抗の
変化に変換し、該接触抵抗の変化に応じた電気信号を出
力することを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【請求項３】圧電材料でフィルム状に形成したスリッ
プ検出部材を、前記コア部材と前記押圧部材の各々との
間に介装した状態で前記触覚ヘッドに内蔵してセンサ素
子を構成することを特徴とする請求項１記載の触覚セン
サ。
【請求項４】前記圧力変換器を正三角形の頂点に各１
個及び各辺に等間隔で２個ずつ配置すると共に、前記正
三角形の頂点に配置された前記圧力変換器を含み、隣接
する３個の前記圧力変換器の各々に当接するように３個
の前記触覚ヘッドを形成してセンサ素子を計３個構成
し、該３個のセンサ素子の各々を構成する３個の前記圧
力変換器の変換出力に基づき前記検出対象に対する３軸
力を検出すると共に、前記センサ素子の各々を構成する
３個の前記圧力変換器の変換出力に基づき前記センサ素
子の各々に対する３軸力を求め、該３軸力の合成結果に
基づき前記検出対象の並進スリップと回転スリップを識
別することを特徴とする請求項３記載の触覚センサ。