JPH0726805B2 - 触覚センサ - Google Patents
触覚センサInfo
- Publication number
- JPH0726805B2 JPH0726805B2 JP4316195A JP31619592A JPH0726805B2 JP H0726805 B2 JPH0726805 B2 JP H0726805B2 JP 4316195 A JP4316195 A JP 4316195A JP 31619592 A JP31619592 A JP 31619592A JP H0726805 B2 JPH0726805 B2 JP H0726805B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- guide member
- light guide
- lens system
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- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ロボットのハンドの指
先などに設置して、指先に接触している把持対象物の位
置や接触位置での把持対象表面の法線ベクトルを検知す
るための触覚センサに関するものであって、生産ライ
ン、プラントメンテナンス等の各種産業分野において、
物体のハンドリングや、各種部品の組立の自動化に使わ
れるロボットハンドの物体把持機能や物体操作機能の高
度化に資するものである。
先などに設置して、指先に接触している把持対象物の位
置や接触位置での把持対象表面の法線ベクトルを検知す
るための触覚センサに関するものであって、生産ライ
ン、プラントメンテナンス等の各種産業分野において、
物体のハンドリングや、各種部品の組立の自動化に使わ
れるロボットハンドの物体把持機能や物体操作機能の高
度化に資するものである。
【０００２】
【従来の技術】高度な作業機能を有するロボットハンド
を構築する上で、触覚センサは重要な役割をはたす。例
えば、図１に示すように、複数の指１，２，３を持つハ
ンドで物体４を把持する場合、安定に、かつすべりを発
生させることなくそれを行うには、各指先が物体に対し
て作用する力Ｆ1 ，Ｆ2 ，Ｆ3 の合力、及びモーメント
Ｍの総和が零となるように、また指先力の方向は物体表
面の法線より物体と指先の摩擦係数で決まるある範囲
（点線表示）内の方向に作用させなければならない。
を構築する上で、触覚センサは重要な役割をはたす。例
えば、図１に示すように、複数の指１，２，３を持つハ
ンドで物体４を把持する場合、安定に、かつすべりを発
生させることなくそれを行うには、各指先が物体に対し
て作用する力Ｆ1 ，Ｆ2 ，Ｆ3 の合力、及びモーメント
Ｍの総和が零となるように、また指先力の方向は物体表
面の法線より物体と指先の摩擦係数で決まるある範囲
（点線表示）内の方向に作用させなければならない。
【０００３】こうした指先力の大きさ及び作用方向を決
定するには、指先がどの位置で、またどのような方向を
持つ面に接触しているかを知ることが重要である。こう
した情報を得るために、従来よりロボットの指先に人の
皮膚感覚のようなセンシング機能を持つ触覚センサを設
置することが検討されてきた。
定するには、指先がどの位置で、またどのような方向を
持つ面に接触しているかを知ることが重要である。こう
した情報を得るために、従来よりロボットの指先に人の
皮膚感覚のようなセンシング機能を持つ触覚センサを設
置することが検討されてきた。
【０００４】皮膚感覚のようにその表面に触る物体の位
置や作用力、あるいは接触物体の接触面方向を検知する
触覚センサとしては、従来、導電ゴムを用いるセンサ、
磁気センサを用いるタイプ、光導波路を用いるタイプな
どが検討されている。しかし、その多くは平面状のセン
サであり、ロボットの指先に搭載できるような半球面状
のセンサの開発例は非常に少ない。この数少ない指先搭
載型半球面状センサの一例として、本発明者らは、図２
に示すような光導波路を用いる半球面状の指先搭載型触
覚センサを先に開発している（特開平４−２０４１０３
号）。
置や作用力、あるいは接触物体の接触面方向を検知する
触覚センサとしては、従来、導電ゴムを用いるセンサ、
磁気センサを用いるタイプ、光導波路を用いるタイプな
どが検討されている。しかし、その多くは平面状のセン
サであり、ロボットの指先に搭載できるような半球面状
のセンサの開発例は非常に少ない。この数少ない指先搭
載型半球面状センサの一例として、本発明者らは、図２
に示すような光導波路を用いる半球面状の指先搭載型触
覚センサを先に開発している（特開平４−２０４１０３
号）。
【０００５】このセンサは、白色の弾性体カバー１０で
覆われた半球状透明体からなる導光部材１１（光導波
路）の基端側端面に発光ダイオード１２を配置して、導
光部材１１に光を導入する構造を有している。導光部材
１１に導入された光は、その導光部材の表面に何も接触
していないときには、導光部材１１とその外側周囲の空
気層１４との境界面で全反射を繰り返し、導光部材の内
部を進行するが、白色弾性体のカバー１０の表面に物体
が接触して、それが導光部材１１に部分的に接触する
と、そこで全反射条件がくずれ、光の散乱が起こる。
覆われた半球状透明体からなる導光部材１１（光導波
路）の基端側端面に発光ダイオード１２を配置して、導
光部材１１に光を導入する構造を有している。導光部材
１１に導入された光は、その導光部材の表面に何も接触
していないときには、導光部材１１とその外側周囲の空
気層１４との境界面で全反射を繰り返し、導光部材の内
部を進行するが、白色弾性体のカバー１０の表面に物体
が接触して、それが導光部材１１に部分的に接触する
と、そこで全反射条件がくずれ、光の散乱が起こる。
【０００６】従って、その光を光ファイバ束によって形
成した光ガイド１５で半導体位置検出器あるいはＣＣＤ
イメージセンサのような光電変換装置１６に導き、光の
散乱が起きた位置の中心を検知することにより、物体の
接触位置、さらにはその接触位置と導光部材の半球中心
とを結ぶ直線から、接触物体の接触面の法線ベクトルを
求めることができる。
成した光ガイド１５で半導体位置検出器あるいはＣＣＤ
イメージセンサのような光電変換装置１６に導き、光の
散乱が起きた位置の中心を検知することにより、物体の
接触位置、さらにはその接触位置と導光部材の半球中心
とを結ぶ直線から、接触物体の接触面の法線ベクトルを
求めることができる。
【０００７】図２に示した上記センサは、上述のように
物体の接触位置とその位置での法線を検知できるが、多
数の光ファイバを束ねることにより形成した光ガイド１
５の一端を、大径でしかも端面を半球状透明体からなる
導光部材の内面に沿う半球状に形成して、半球状導光部
材の内側面に近接設置しているため、カバー１０と半球
状導光部材１１の接触が半球の頂点から離れた周辺部で
発生すると、光ガイド１５における光ファイバ束の入射
端面の角度が臨界角（半球状頂点から約６８°傾いた角
度）を越える所で光を伝送できなくなるという問題があ
った。
物体の接触位置とその位置での法線を検知できるが、多
数の光ファイバを束ねることにより形成した光ガイド１
５の一端を、大径でしかも端面を半球状透明体からなる
導光部材の内面に沿う半球状に形成して、半球状導光部
材の内側面に近接設置しているため、カバー１０と半球
状導光部材１１の接触が半球の頂点から離れた周辺部で
発生すると、光ガイド１５における光ファイバ束の入射
端面の角度が臨界角（半球状頂点から約６８°傾いた角
度）を越える所で光を伝送できなくなるという問題があ
った。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、上記弾性体カバーで覆われた半球状の透明体からな
る導光部材を有し、カバーの表面に物体が接触してその
部分のカバーが導光部材に接触したときに起こる光の散
乱を検出するようにした触覚センサにおいて、接触位置
が導光部材の半球状頂点から大きく離れた位置に存在し
ても、接触部で発生した散乱光の一部を光電変換装置の
受光面上に集光させ、その検出を可能にすることにあ
る。
は、上記弾性体カバーで覆われた半球状の透明体からな
る導光部材を有し、カバーの表面に物体が接触してその
部分のカバーが導光部材に接触したときに起こる光の散
乱を検出するようにした触覚センサにおいて、接触位置
が導光部材の半球状頂点から大きく離れた位置に存在し
ても、接触部で発生した散乱光の一部を光電変換装置の
受光面上に集光させ、その検出を可能にすることにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、本発明の触覚センサにおいては、図２における光
ガイドを用いる代わりに、半球状透明体からなる導光部
材と光電変換装置との間に、負のレンズ系、絞り及び正
のレンズ系を順に配設したことを特徴としている。
めに、本発明の触覚センサにおいては、図２における光
ガイドを用いる代わりに、半球状透明体からなる導光部
材と光電変換装置との間に、負のレンズ系、絞り及び正
のレンズ系を順に配設したことを特徴としている。
【００１０】更に詳細に述べると、本発明の触覚センサ
は、先端が半球状をなす透明体により形成され、外周に
薄い空気層を介して光反射機能をもつ弾性体カバーを被
着した導光部材を備え、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、上記導光部材内に、その導光部材の半球状部内面の
ほぼ全域からの光を集光する負のレンズ系、絞り及び正
のレンズ系を順次配列させ、その結像位置に光電変換装
置の受光面を配設したことを特徴とするものである。
は、先端が半球状をなす透明体により形成され、外周に
薄い空気層を介して光反射機能をもつ弾性体カバーを被
着した導光部材を備え、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、上記導光部材内に、その導光部材の半球状部内面の
ほぼ全域からの光を集光する負のレンズ系、絞り及び正
のレンズ系を順次配列させ、その結像位置に光電変換装
置の受光面を配設したことを特徴とするものである。
【００１１】
【作用】このような本発明の触覚センサにおいては、半
球状透明体からなる導光部材の任意位置、特に、導光部
材の頂点より離れた位置で弾性体カバー表面上に任意物
体が接触し、そこで散乱光が発生した場合でも、その散
乱光の一部を負のレンズ系に入射させることができる。
そして、その光は負のレンズ系で屈折して絞りの開口を
通過した後、さらに正のレンズ系を通過して光電変換装
置の受光面に集光されるため、導光部材の頂点より離れ
た位置での接触情報をも検知することが可能であり、検
出領域の広い触覚センサを提供することが可能となる。
球状透明体からなる導光部材の任意位置、特に、導光部
材の頂点より離れた位置で弾性体カバー表面上に任意物
体が接触し、そこで散乱光が発生した場合でも、その散
乱光の一部を負のレンズ系に入射させることができる。
そして、その光は負のレンズ系で屈折して絞りの開口を
通過した後、さらに正のレンズ系を通過して光電変換装
置の受光面に集光されるため、導光部材の頂点より離れ
た位置での接触情報をも検知することが可能であり、検
出領域の広い触覚センサを提供することが可能となる。
【００１２】
【実施例】図３は本発明に係る触覚センサの実施例を示
す。このセンサは、アクリルあるいは硝子等の材料から
なる透明体により形成され、先端の半球状部とそれに連
設された円筒部とを有する導光部材２１を備え、その導
光部材２１の円筒部の基端側端部には、導光部材２１内
に光を導入するための多数の発光ダイオード２２を列設
している。上記導光部材２１は、これらの発光ダイオー
ド２２からの光をその内部に導き、内面での全反射によ
り光が外部へ散逸するのを防止する機能を有している。
す。このセンサは、アクリルあるいは硝子等の材料から
なる透明体により形成され、先端の半球状部とそれに連
設された円筒部とを有する導光部材２１を備え、その導
光部材２１の円筒部の基端側端部には、導光部材２１内
に光を導入するための多数の発光ダイオード２２を列設
している。上記導光部材２１は、これらの発光ダイオー
ド２２からの光をその内部に導き、内面での全反射によ
り光が外部へ散逸するのを防止する機能を有している。
【００１３】上記導光部材２１の外周には、薄い空気層
２４により形成された略一定の間隙を介して、内面が光
反射機能をもつ弾性体カバー２５を被着している。この
弾性体カバー２５は、比較的柔軟な弾性体により形成し
たもので、触覚センサの感知部を構成し、図４に示すよ
うに、このカバー２５が適宜の物体２０に接触したと
き、容易に変形してその接触部が導光部材２１に押し付
けられる程度の柔軟性を持たせたものである。また、こ
の弾性体カバー２５の光反射機能とは、それが外力の作
用により導光部材２１に部分的に接触したとき、そこで
導光部材の全反射条件をくずし、光の散乱を起こさせる
ためのもので、具体的には、少なくともその弾性体カバ
ー２５の内面を白い反射面にするなどの手段によって、
その光反射機能が付与される。
２４により形成された略一定の間隙を介して、内面が光
反射機能をもつ弾性体カバー２５を被着している。この
弾性体カバー２５は、比較的柔軟な弾性体により形成し
たもので、触覚センサの感知部を構成し、図４に示すよ
うに、このカバー２５が適宜の物体２０に接触したと
き、容易に変形してその接触部が導光部材２１に押し付
けられる程度の柔軟性を持たせたものである。また、こ
の弾性体カバー２５の光反射機能とは、それが外力の作
用により導光部材２１に部分的に接触したとき、そこで
導光部材の全反射条件をくずし、光の散乱を起こさせる
ためのもので、具体的には、少なくともその弾性体カバ
ー２５の内面を白い反射面にするなどの手段によって、
その光反射機能が付与される。
【００１４】一方、上記導光部材２１内には、その導光
部材側から、負のレンズ系２６、絞り２７、正のレンズ
系２８が順次配列され、その結像位置に、半導体位置検
出器あるいはＣＣＤイメージセンサのような光電変換装
置３０の受光面を配設している。負のレンズ系２６は、
導光部材２１の半球状部内面のほぼ全域からの光を屈折
して、絞り２７の開口部へ導くように配置され、正のレ
ンズ系２８は、上記負のレンズ系２６で屈折し、絞り２
７の開口を通過した光を光電変換装置３０の受光面に結
像させるものである。
部材側から、負のレンズ系２６、絞り２７、正のレンズ
系２８が順次配列され、その結像位置に、半導体位置検
出器あるいはＣＣＤイメージセンサのような光電変換装
置３０の受光面を配設している。負のレンズ系２６は、
導光部材２１の半球状部内面のほぼ全域からの光を屈折
して、絞り２７の開口部へ導くように配置され、正のレ
ンズ系２８は、上記負のレンズ系２６で屈折し、絞り２
７の開口を通過した光を光電変換装置３０の受光面に結
像させるものである。
【００１５】このような構成を有する触覚センサにおい
ては、弾性体カバー２５の任意位置に物体２０が接触
し、その部分のカバー２５が変形して導光部材２１の半
球部に接触すると、そこで全反射条件が乱され、導光部
材２１の表面で散乱スポット光が発生する。この散乱ス
ポット光は、負のレンズ系２６、絞り２７、正のレンズ
系２８を介して、光電変換装置３０の受光面上に、その
散乱光発生位置に対応するスポット像として結像され
る。
ては、弾性体カバー２５の任意位置に物体２０が接触
し、その部分のカバー２５が変形して導光部材２１の半
球部に接触すると、そこで全反射条件が乱され、導光部
材２１の表面で散乱スポット光が発生する。この散乱ス
ポット光は、負のレンズ系２６、絞り２７、正のレンズ
系２８を介して、光電変換装置３０の受光面上に、その
散乱光発生位置に対応するスポット像として結像され
る。
【００１６】特に、導光部材２１の頂点より離れた位置
でカバー２５に物体２０が接触し、そこで散乱スポット
光が発生した場合でも、その散乱スポット光の一部を負
のレンズ系２６に入射させることができるので、その光
は負のレンズ系２６で屈折して絞り２７の開口を通過し
た後、さらに正のレンズ系２８を通過して光電変換装置
３０の受光面に集光される。そのため、導光部材２１の
頂点より離れた位置での接触情報をも検知することが可
能であり、検出領域の広い触覚センサを得ることができ
る。
でカバー２５に物体２０が接触し、そこで散乱スポット
光が発生した場合でも、その散乱スポット光の一部を負
のレンズ系２６に入射させることができるので、その光
は負のレンズ系２６で屈折して絞り２７の開口を通過し
た後、さらに正のレンズ系２８を通過して光電変換装置
３０の受光面に集光される。そのため、導光部材２１の
頂点より離れた位置での接触情報をも検知することが可
能であり、検出領域の広い触覚センサを得ることができ
る。
【００１７】図４においては、物体２０がカバー２５に
接触したときの光の通過経路を示している。弾性体カバ
ー２５に物体２０がＰ1 点で接触してカバーが変形し、
それが導光部材２１に押し付けられたときには、光電変
換装置３０の受光面上におけるＳＰ1 点に集光し、ま
た、物体２０が点線で示されるＰ2 の位置でカバーに接
触した場合には、そこで発生した散乱スポット光が光電
変換装置３０の受光面上におけるＳＰ2 の位置に集光さ
れる。
接触したときの光の通過経路を示している。弾性体カバ
ー２５に物体２０がＰ1 点で接触してカバーが変形し、
それが導光部材２１に押し付けられたときには、光電変
換装置３０の受光面上におけるＳＰ1 点に集光し、ま
た、物体２０が点線で示されるＰ2 の位置でカバーに接
触した場合には、そこで発生した散乱スポット光が光電
変換装置３０の受光面上におけるＳＰ2 の位置に集光さ
れる。
【００１８】光電変換装置３０には、演算処理回路（図
示せず）が接続され、この演算処理回路により受光面上
に集光された散乱スポット光の像の光強度の重心位置が
検出される。この重心位置は、カバー２５における物体
接触部で発生する散乱スポット光の重心位置に対応して
いる。ここで、導光部材２１の半球状部の寸法が既知で
あることから、光電変換装置において検出した光の重心
位置から物体２０の接触位置を求めることができ、また
物体２０のこの接触点における法線方向が接触点と半球
導光部材の中心を結ぶ線の方向として求めることができ
る。
示せず）が接続され、この演算処理回路により受光面上
に集光された散乱スポット光の像の光強度の重心位置が
検出される。この重心位置は、カバー２５における物体
接触部で発生する散乱スポット光の重心位置に対応して
いる。ここで、導光部材２１の半球状部の寸法が既知で
あることから、光電変換装置において検出した光の重心
位置から物体２０の接触位置を求めることができ、また
物体２０のこの接触点における法線方向が接触点と半球
導光部材の中心を結ぶ線の方向として求めることができ
る。
【００１９】
【発明の効果】このような本発明の触覚センサによれ
ば、既提案の触覚センサにおける光ファイバを束ねた光
ガイドに代えて、負のレンズ系と絞りと正のレンズ系を
順次配設するという簡易な手段により、導光部材の半球
状部のほぼ全域にわたって接触情報を検出することがで
き、それによって、光ガイドでの入射端面における臨界
角を越えた領域で検出不可能であった接触情報をも得る
ことが可能になる。
ば、既提案の触覚センサにおける光ファイバを束ねた光
ガイドに代えて、負のレンズ系と絞りと正のレンズ系を
順次配設するという簡易な手段により、導光部材の半球
状部のほぼ全域にわたって接触情報を検出することがで
き、それによって、光ガイドでの入射端面における臨界
角を越えた領域で検出不可能であった接触情報をも得る
ことが可能になる。
【図１】一般的な触覚センサの利用態様を示す説明図で
ある。
ある。
【図２】既提案の触覚センサの構成を示す断面図であ
る。
る。
【図３】本発明に係る触覚センサの構成を示す断面図で
ある。
ある。
【図４】本発明に係る触覚センサの使用態様を示す断面
図である。
図である。
２１ 導光部材、 ２２ 発光ダイオード、 ２４ 空気層、 ２５ 弾性体カバー、 ２６ 負のレンズ系、 ２７ 絞り、 ２８ 正のレンズ系、 ３０ 光電変換装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天 野 哲 夫 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 市 江 更 治 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 高島 喜一
Claims (1)
- 【請求項１】先端が半球状をなす透明体により形成さ
れ、外周に薄い空気層を介して光反射機能をもつ弾性体
カバーを被着した導光部材を備え、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、上記導光部材内に、その導光部材の半球
状部内面のほぼ全域からの光を集光する負のレンズ系、
絞り及び正のレンズ系を順次配列させ、その結像位置に
光電変換装置の受光面を配設したことを特徴とする触覚
センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4316195A JPH0726805B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 触覚センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4316195A JPH0726805B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 触覚センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH074908A JPH074908A (ja) | 1995-01-10 |
| JPH0726805B2 true JPH0726805B2 (ja) | 1995-03-29 |
Family
ID=18074360
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4316195A Expired - Lifetime JPH0726805B2 (ja) | 1992-10-30 | 1992-10-30 | 触覚センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0726805B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005085785A1 (ja) * | 2004-03-09 | 2005-09-15 | Nagoya Industrial Science Research Institute | 光学式触覚センサ、センシング方法、センシングシステム、物体操作力制御方法、物体操作力制御装置、物体把持力制御装置、ロボットハンド |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6242476B2 (ja) * | 2016-01-05 | 2017-12-06 | 株式会社東京精密 | ワーク識別装置及び識別方法 |
| US20220026295A1 (en) * | 2018-12-04 | 2022-01-27 | Sony Group Corporation | Detection device |
-
1992
- 1992-10-30 JP JP4316195A patent/JPH0726805B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005085785A1 (ja) * | 2004-03-09 | 2005-09-15 | Nagoya Industrial Science Research Institute | 光学式触覚センサ、センシング方法、センシングシステム、物体操作力制御方法、物体操作力制御装置、物体把持力制御装置、ロボットハンド |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH074908A (ja) | 1995-01-10 |
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