JPH0755611A - ロボットのグリッパー用センサーチップとその製造法 - Google Patents

ロボットのグリッパー用センサーチップとその製造法

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JPH0755611A
JPH0755611A JP3006347A JP634791A JPH0755611A JP H0755611 A JPH0755611 A JP H0755611A JP 3006347 A JP3006347 A JP 3006347A JP 634791 A JP634791 A JP 634791A JP H0755611 A JPH0755611 A JP H0755611A
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sensor chip
transducer
force
amplifier
substrate
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JP3006347A
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Robert D Lorenz
ディー ローレンツ ロバート
Gregory T Jackson
ティー ジャクソン グレゴリー
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Wisconsin Alumni Research Foundation
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    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
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    • G—PHYSICS
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 変換器と弾性基体との結合を改良して、優れ
た性能と長寿命化を図る。 【構成】 ４つの歪変換器１４、１６、２０が、ロボッ
トのハンドで操作している物体によりセンサーチップ１
０に加えられた力によって発生する弾性基体１２の外境
界面に近くの異なる位置で、歪を示す電気的信号を発生
する。変換器は、垂直方向と接線方向の力と加えられた
トルクとを測定するために減結合された信号を発生する
ように、凸面２６の回りに配置されている。センサーチ
ップは、力の配分装置に使用するための減結合合算法の
比例定数を決定するために較正され、力の配分装置は、
音声コイルを使用して、各コイルに誘導された電流と１
次的に関係のある力を加える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的にはロボット工
学に関し、具体的には、力のフィードバック情報を必要
とするロボットのグリッパー用触覚センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】ロボットは、人間にとって危険か、ある
いは、退屈な仕事に次第に採用されている。触覚センサ
ーがロボットのハンドまたはグリッパーに組み込まれ
て、ロボットが、その環境において物体を感じることが
出来る場合、ロボットの効用は増大する。理想的には、
ロボットのハンドは、物体を堅く保持して、握りから物
体が滑らないように出来るが、物体をつぶしたり壊すこ
とのないように軽く保持することも出来なければならな
い。この目的を達成する一つの方法は、弾性体の３次元
センサーチップにより行われるが、これは、米国特許出
願番号07/198,193、１９８８年５月２４日出願などに開
示されており、これは本明細書に参考に引用されてい
る。センサーチップは、チップの表面上の選択された位
置と方位に配置され、リード線が接続しているピエゾ電
気ポリマーフィルムより好適に成る変換器より構成され
ている。リード線は、弾性基体により受けた変形または
ひずみに相当する電気信号を送る。信号は、信号増幅器
により増幅され、次に、ハードワイヤード演算回路、ま
たは、電気信号を個々の力の分力へ減結合される。
【０００３】簡単な測定方法では、力が加った段階で発
生する、特定の変換器のピエゾ電気ポリマーフィルムか
らの電気信号は、一般的な10メグオーム（１０×１０6
Ω）入力インピーダンスのオッシロスコープによって直
接に測定される。ピエゾ電気ポリマーフィルムのキャパ
シタンスは、普通、約２００pf（２００×１００-12f)
である。ピエゾ電気ポリマーフィルムに発生する電圧
は、その時、オッシロスコープにより、時定数τによる
１次減少として減衰する。ここで、τは、抵抗（Ｒ）に
キャパシタンス（Ｃ）を乗じたものに等しい。この場
合、τ＝（１０×１０6 ）×（２００×１０-12 ）＝0.
００２秒である。0.００２秒間接続する力の情報は、物
体を把握して保持し、有用な仕事を行なうとする装置で
は少ししか役に立たない。例えば、ネジ付穴に挿入しよ
うとするボルトをロボットが把握する場合を考察してみ
よう。把握は、１０〜１５秒間必要である。力の情報
が、把握時間からのずれかが５％以下でなければならな
い場合、１次減衰とすると、この装置の時定数は、２０
０秒でなければならない。従って、使用可能な情報を送
るためには、かなりの信号のずれがなく、疑いを招くよ
うな測定感度もなく、準定常状態の力の情報を発生する
装置が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】センサーチップに働く
個々の分力の減結合は、変換器の出力が、各種の線型と
非線型減結合アルゴリズムによって力と関係づけられて
いるので、容易に行うことが出来る。適切な減結合を行
うには、既知の力のレベルによってセンサーチップを較
正して、減結合アルゴリズムに使用した定数を計算する
ことが必要である。従って、較正に適切な力の配分装置
は、同時にセンサー出力を記録もするが、純粋な力を配
分することが出来なければならない。錘とプーリーより
成る力の配分装置は、高い正確度と繰返し性を有するこ
とが出来ず、プーリーを使用すると、大きな摩擦を発生
する。このような力の配分装置は、工業用途でセンサー
チップの試験と較正には、明らかに不適当である。
【０００５】上記のように、センサーチップを繰り返し
て使用する場合、ピエゾ電気ポリマーフィルムは、セン
サーチップの外境界面より層剥離することが、明らかに
された。センサーチップは、高価でなく、また容易に消
耗されるが、センサーチップの性能と寿命は、この層剥
離が防止されるならば、改善される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による３次元セン
サーチップは、直交する３方向から接触し、接触点にお
いてセンサーチップに働く力及び／またはトルクの分力
を示す信号を送ることが出来る。センサーチップは、円
形の基底と基底より伸長した凸面を有するに適した形状
の弾性基体より成っている。基体内の歪を出力電圧に変
換する４つの変換器は、凸面上に配置されており、接触
点において加えられた力とトルクの分力に相当する信号
を形成するために、結合された電気的出力信号を送る。
緩衝増幅器回路は、変換器に接続されて、大抵の状態で
は大きな減衰もなく、信号を送る。その上、緩衝増幅器
回路の簡素さは、それ自体の小型化に適しており、これ
によって、回路は、センサーチップの基板へ直接に接続
することが出来る。
【０００７】センサーチップの試験と較正のために、力
の配分の一つの方法として、本発明は、コイルへ誘導さ
れた電流によって、力の直線性を生成する永久磁石の磁
界内に、懸垂された音声コイルを有する駆動装置を採用
している。本発明により、センサーの取付けと取外しは
敏速に行われ、個々の力の分力がセンサーチップへ正確
に配分され、測定が反復して行われる。
【０００８】好適な変換器は、銀インクの塗膜が施され
たピエゾ電気ポリマーフィルムである。このような塗膜
は、弾性基体が一般に成形されていシリコンゴムによっ
て、望ましい接着特性を備えている。センサーチップの
製造工程は、工程が複合段階、複合材料段階である点か
ら、さらに改良される。本発明による製造工程は、信頼
性のある製品を生産する。材料と製造を容易した一連の
工程は、ピエゾ電気ポリマーフィルムと弾性基体との間
の優れた接合を形成する。弾性基体からのピエゾ電気ポ
リマーフィルムの層剥離は、非常に減少する。
【０００９】本発明のそのほかの目的、特徴、利点は、
付属図面に関連して記載された次の詳細説明から明らか
である。
【００１０】本発明の支持体としては、上質紙、中質
紙、コート紙、故紙を含む再生紙等の紙、不織布等が用
いられる。
【００１１】
【実施例】図面に関して、本発明により構成されたセン
サーチップの好適な実施例は、図１、図２、図３の１０
に示されている。センサーチップ１０は、物体を把握し
て操作出来るロボットのハンドに使用するように構成さ
れており、物体によってセンサーチップ１０に加えられ
る力についてのフィードバック情報を送る。好適なセン
サーチップの構成要素は、弾性基体１２と４つの変換器
１４、１６、１８、２０とより成っている。弾性基体１
２は、ほぼ人間の肌の程度に適切な柔軟性があり、例え
ば、男子成人の親指ほどの大きさである。弾性基体１２
は、基体が直交する３方向から接触されるように、３次
元の外境界面２２を有している。外境界面は、円形基底
２４と基底から伸長している凸面２６とを有するように
適切な形状をなしている。凸面２６には、基底２４から
最も離れた所に末端点２８がある。４つの変換器１４、
１６、１８、２０は、基底に沿ってその近くに配置され
ており、外境界面２２より僅かに低く適切に沈められて
いる。変換器１４、１６、１８、２０は、必要される適
度の精度で、事前に選択された位置と向きに、凸面２６
の周囲に位置づけられている。変換器１４、１６、１
８、２０は、弾性基体１２内の歪を示す電気的信号を発
生する。弾性基体１２内の歪は、ロボットのハンドが操
作している物体により、基体１２に働く力によって生じ
る。
【００１２】弾性基体用の材料は、変ることのない機械
的性質、低ヒシステリス、大きな変形を受け状態におけ
てもその弾性の保持などを具備しなければならず、ま
た、日光または普通の工業薬品に、露出されている場
合、劣化してはならない。シリコンゴムは、二つの条件
をほぼ満足する好適な材料の一例である。シリコンゴム
は、分子構造から等方性であり、ほかのエラストマーと
比較して、広い温度と変形の範囲において、一定にして
特有の直線性のあるヤング率を備えている。シリコンゴ
ムは、適度に上昇した温度において、その柔軟性をほぼ
無期限に維持する。また、非常に優れた屋外対候性と、
低濃度の酸、塩基、塩に対する耐性を有している。好適
なシリコンゴムは、室温において加硫され、４５〜５５
度の範囲のシヨア硬度を有し、加硫時間が比較的短く、
シリコンゴムが型に注入されるように、加硫されない状
態で流動性がある市場で入手可能な適当なシリコンゴム
には、ダウ・ケミカルＲＴＶ３１１０、ダウ・シルガー
ド１８４、ジェネラル・エレクトリックＲＴＶ１６１、
ジェネラル・エレクトリックＲＴＶ１６２などがある。
前述の硬度範囲のシリコンゴムは、強靱で十分に耐久性
があり、大抵の目的に適応した把握の十分な柔軟性を備
えている。一般に、基体１２の材料は、ロボットのハン
ドに把持された物体と少なくとも同程度の柔軟性があ
り、また好適には、物体よりも高い追従性がなければら
ない。
【００１３】弾性基体１２の外境界面２２は、鋭い角が
一貫性のない負荷分布、応力集中、及びほかの変則的な
ものを発生するので、凸面２６の角に丸味をつけること
が好適である。外境界面２２の凸面２６は、楕円体の一
部として適切な形状をなしており、基体１２は、長軸に
沿って切断された半分の楕円体を形成している。変換器
１４、１６、１８、２０の感度は、基体１２の外境界面
２２の勾配が、基底２４において、基底に対し垂直によ
り近くなるにつれて、改善されることが明らかとなっ
た。従って、半分の楕円である形状は、放物体などほか
の形状より一般に好適である。変換器１４、１６、１
８、２０からの信号出力と、基体１２の機械的特性とを
最適化するために、楕円体の長径と短径との比は、約1.
６が最適である。力の変換器１４、１６、１８、２０の
信号発生に関して、センサーチップ１０は、センサーチ
ップ１０に働く印加された力について最大の信号を発生
しなければならない。短く、太い弾性基体は、垂直方
向、または接線方向の力を受けた場合、大きい信号を発
生しない点で、望ましくない。しかし、過度に長く細い
弾性基体は、簡単に壊れたり、大きな非線形となるゆが
みを受ける。基体１２が、楕円体の長径と短径との間の
比が1.０（半球状）から2.０の範囲で形成されると、適
切であることが明らかにされた。この範囲の低い値の側
端では、信号の伝達が、特に基体１２に対する垂直方向
で難しいが、高い値の側端では機械的問題がある。上述
のように、長径と短径との最適比は、1.６である。これ
は、基底２４の直径に関して、この比を基底２４と末端
点２８との間の最大距離としてとった場合の0.８の比に
等しい。同様に、上記で示したように、1.０〜2.０の楕
円体の長径と短径との比の範囲は、基底２４の直径に関
して、この比を基底２４と末端部２８との間の最大距離
としてとった場合の０．５〜１．０の範囲に等しい。
【００１４】センサーチップ形状を最適化する場合、そ
のほかに考察すべきことは、感度比としてここに引用し
たように、印加された力の分力の実際の大きさに対する
変換器１４、１６、１８、２０の信号出力の大きさの比
例性である。例えば、接線方向の力は、一般に、ゴム
（弾性基体１２）と鋼鉄の摩擦係数を基準とした垂直方
向の力の大きさの約1/6 である。最適感度比は、感度比
が、垂直方向の力による信号出力と、同じ大きさの接線
方向の力により発生した信号出力との比として定義され
る場合、1/6 である。良い結果は、１．６の比（長径対
短径）の楕円体によって得られ、この場合、感度比は
０．１６である。
【００１５】変換器１４、１６、１８、２０は、弾性基
体１２の変位、つまり歪を電気的出力に変換する。装着
可能で適切な変換器は、歪を電圧に変換するピエゾ電気
ポリマーフィルムの条片である。ピエゾ電気ポリマーフ
ィルムは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦまたはＰＶ
Ｆ2 ) 製が最適であり、砕けないこの材料は、高いピエ
ゾ電気感度を有しており、希望する形状に成形すること
が出来る。適切なＰＶＤＦフィルムは、プロイセン・キ
ングのペンウォルト・コーポレーション、ペンシルバニ
ア、商標ケイ・ワイ・エヌ・エイ・アール、から市販品
として入手可能である。ＰＶＤＦフィルムは、適切に、
銀インク面（ペンウオルトの記述子：エイ・ジー・イン
ク）より成っており、この面は、導電性が高く、以述す
るように、リード線の接合に使用する接着剤に適した基
板を備えている。ＰＶＤＦは非常に薄く製作することが
出来て、弾性率がかなり低いので、容易に変形して、弾
性基体１２などの柔軟な基板の機械的性質に材料上から
影響を与えない。ピエゾ電気ポリマーフィルムは、異方
性であり、これは、印加負荷に応答して、変換器１４、
１６、１８、２０の相互間で信号を明確に独立させてい
る点で、フィルムの望ましい特質であると考えられる。
変換器１４、１６、１８については、異方性の向きは、
末端点２８から基底２４の周囲へほぼ指向していなけれ
ばならない。変換器２０については、その異方性の向き
は、凸面２６の回りを螺旋状に指向していることが適切
である。
【００１６】変換器１４、１６、１８、２０のポリマー
フィルムの適切な厚さは、２８ミクロンであるが、ほか
の厚さも、本発明では動作可能である。しかし、上述の
ピエゾ電気フィルムの厚さは、一般に、信号応答に影響
を与えない。ポリマー条片の適切な大きさは、楕円比1.
６のセンサーチップの場合、0.５インチ×0.２５インチ
であり、これは、基底２４から末端点２８までが約1.０
インチである。大きいフィルム片は、望ましい、強い信
号を発生するが、大きい、つまり厚いフィルムの場合、
剪断応力の増加による基体１２からのフィルムの層剥離
の潜在的問題を比較して、これは考察されなければなら
ない。短い条片は、長いピエゾ電気フィルムよりも高負
荷の下でゴムと接合して保持されるので、小さいフィル
ム片は、高負荷状態で使用されるべきである。凸面２６
で基体１２への変換器１４、１６、１８、２０の接合に
ついては、以降に詳しく考察する。
【００１７】凸面２６上の変換器１４、１６、１８、２
０の位置は、また、信号の大きさと理想的感度比の最適
比にとって重要である。センサーの基底２４の近くで、
歪は曲げにより支配されることが、明らかにされたが、
一方で、センサーチップ１０の末端点２８において、ゴ
ムの表面に加えられた圧縮力は、剪断応力で加えられた
接線方向の力により支配される。所望の感度比１：６を
得るために、実験結果は、図４に示すように、角度θ
は、末端点２８を通りフィルムの中心と基底２４への垂
線との間で７０°であるように、フィルムは配置されな
ければならないことを示した。
【００１８】センサーチップ１０は、一般に、ロボット
のハンド、グリッパー、触針、あるいはこれに類したも
のに関連する指の一部を形成している。このような形態
の例が図６に示されている。図６のロボットの指は、軸
３０と、軸の頭部に取付けられた平坦な支持プレートと
を有する指支持部材２９より成っている。支持部材２９
は、鋼鉄などの強力な構造材より適切に製作されてい
る。チップ１０の基底２４は、リード線３２が貫通する
開孔のあるプレート３１の頭部に、接着されるか、ある
いは、堅固に設置されている。
【００１９】３次元の外境界面２２によって、センサー
チップ１０は、直交する３方向からの力の分力（１つの
垂直方向の力と２つの接線方向の力）と、基底２４に垂
直に伸長しまた末端点２８を通る軸の回りに働くトルク
とを受けることが出来る。変換器１４、１６、１８、２
０は、円形の基底２４の回りで離れた位置に配置され、
これによって、変換器により発生した出力信号から、相
互に関係のない個々の力（直交した）とトルクの分力を
測定することが出来る。力がセンサーチップ１０へ加え
られると、弾性基体１２が変形し、ピエゾ電気変換器が
ひずみ、その歪に相応した電気信号を発生する。センサ
ーチップ１０に働く力の一例として、図７と図８の２次
元の例を考察する。図７のセンサーチップ１０は、純粋
な垂直方向の力を受け、変換器１４、１８に圧縮を起し
ている状態で示されている。センサーチップ１０に加え
られた垂直方向の力に変化が発生すると、変換器１４と
１８からの信号に、相応し、比例する変化が起る。ほか
の分力が同時に加えられた場合でも、垂直方向に印加さ
れた力の変化による信号の変化は、垂直方向の変化の大
きさと共に直線的に変化しなければならない。図８のよ
うにチップへ印加された接線方向の力の場合、図示され
た接線方向の力は、変換器１４に圧縮を、変換器１８に
引張りを生じる。力を直交する３つの方向（１つの垂直
方向と２つの接線方向）に力を分解するために、ほかに
変換器１６が必要である。図４の分力、すなわち、末端
点２８を基底２４に垂直な軸の回りのねじれを監視する
場合、図４の変換器２０が必要である。初めに説明した
ように、変換器１４、１６、１８を形成しているフィル
ムの異方性の影響があるので、変換器フィルムの中心か
ら、末端点２８を通り基底２４への垂直線まで間で７０
°の角度が形成されるように、変換器は、末端点２８へ
向って放射状に指向しなければならない。好適に、変換
器を形成しているフィルムは、幅よりも大きい長さで切
断されており、これによって、異方性は、歪による出力
信号の最大の変化が変換器の長さに沿って生ずるように
する。変換器２０は、末端点２８を通り基底２４に垂直
な線の回りのねじれを測定し、変換器２０の異方性は凸
面２６に対し螺旋状であり、またそれがねじれ成分の方
向であるように、変換器のフィルムは、適切に指向して
いる。
【００２０】力の３つの分力を測定するために、少なく
とも３つのひずみ変換器を使用しなければならない。同
様に、４つの分力（３つの独立した力と１つのトルク）
の測定には、少なくとも４つの変換器が必要である。し
かし、変換器は、軸を越えて感じる。すなわち、力の方
向が垂直であろうと、または、接線方向であろうと、力
は、すべて加えられると、変換器のすべてから、信号が
同時に発生する。従って、これらの信号を加えられた力
及び１またはトルクの成分の個々の分力に減結合するこ
とが必要である。信号を個々の成分に減結合するため
に、信号は、変換器が受けたひずみの１次関数であると
仮定することが、一般に妥当である。センサーチップ１
０は、純粋な形の各力（またはトルク）を印加し、各変
換器からの信号を測定することにより、較正される。次
に比例定数は、変換器からの信号の大きさを、加えられ
た力で割ることにより、各変換器について誘導される。
これに次式で表される。
【００２１】測定された信号（Ｓi ) ＝〔定数（Ｋij)
〕×〔加えられた力（ｆj ) 〕 または、 Ｋij＝Ｓi ／ｆj ここで、Ｋijは、変換器からの信号の大きさ（Ｓi ）を
加えられた力（ｆj ）で割って見い出された比例定数で
ある。各力が加えられて、各変換器からの信号が各力毎
に記録された後、比例定数の表が、表Ｉに示されるよう
に作成される。
【００２２】 表 Ｉ 加えられた力 変換器 変換器 変換器 変換器 #１ #２ #３ #４ 垂直方向 Ｋ11 Ｋ12 Ｋ13 Ｋ14 接線方向 #１ Ｋ21 Ｋ22 Ｋ23 Ｋ24 接線方向 #２ Ｋ31 Ｋ32 Ｋ33 Ｋ34 ねじれ方向 Ｋ41 Ｋ42 Ｋ43 Ｋ44
【００２３】信号は、各自由度に関して線型であると仮
定されているので、この結果は、次のように合計するこ
とが出来る。 Ｓ1 ＝Ｋ11ｆ1 ＋Ｋ12ｆ2 ＋Ｋ13ｆ3 Ｓ2 ＝Ｋ21ｆ1 ＋Ｋ22ｆ2 ＋Ｋ23ｆ3 Ｓ3 ＝Ｋ31ｆ1 ＋Ｋ32ｆ2 ＋Ｋ33ｆ3 Ｓ4 ＝Ｋ41ｆ1 ＋Ｋ42ｆ2 ＋Ｋ43ｆ3
【００２４】マトリックスの形では、これは次のように
なる。 Ｓ＝〔Ｋ〕ｆ ここで、Ｓは、４つの変換器からの信号の列の行列であ
り、〔Ｋ〕は、定数の行列であり、ｆは、加えられた力
の列の行列である。力を３つの力の分力（１つの垂直、
２つの接線方向の力）に減結合するために、行列式は、
ｆに関して解くと、次の式が得られる。
【００２５】ｆ＝〔Ｋ〕-1 Ｓ この結果は、変換器１４、１６、１８、２０のそれぞれ
からの信号の関数として、３つの個々の力の分力とトル
クの分力との尺度である。
【００２６】定数〔Ｋ〕の行列は、変換器が基体上に配
置されている場所に依存する。予期されるように、ｆを
決定するために使用された行列の操作中に形成された係
数行列〔Ｋ〕には、僅かな誤差がある。２つの方法が、
力の分力の算出値内の誤差を低減するために使用され
る。第１の方法は、信号の測定と純粋な力の分力の印加
を行う場合と、〔Ｋ〕行列要素の質を改善するために統
計学を採用する場合により正確で精度のある方法を単に
使用することである。減結合する場合の誤差を低減する
第２の方法は、センサーチップ１０上の変換器の最適な
位置づけよりなっている。
【００２７】変換器１４、１６、１８の最適位置づけに
は、２つの制約がある。1)〔Ｋ〕行列の列が直交するこ
とと、2)〔Ｋ〕行列の列が同じ長さであることである。
基底２４まわりの変換器１４、１６、１８、２０の最適
位置を決定するために、トルクが加えられた場合４つの
変換器のうちの３つ（変換器１４、１６、１８）は、ポ
リマーフィルム変換器の配置を計画検討の上行うことに
より、制御することが出来ると考えられる。また、第４
のセンサー（２０）が発生する信号は、垂直方向または
接線方向の力が加えられる場合、トルクが加えいれたと
きに得られる信号と比較すると小さいと考えられる。列
の長さに関して、同一長さの列の最適化は、センサーチ
ップ１０の機械的寸法により決定されるので、同一長さ
の列は、センサーチップ１０の基底２４の周囲の変換器
１４、１６、１８の相対的位置を変更することにより、
単純に得られるものではない。しかし、センサーチップ
１０の基底２４の回りの変換器の位置は、直交〔Ｋ〕行
列を得るために操作することは出来る。ほかに、２つの
仮定を設けなければならない。第１に、接線方向の力
が、特定の変換器（例えば、図５の変換器１４）に垂直
に加えられた場合、信号は、接線方向の力が変換器（図
５のθ＝９０°の場合の変換器１６）に平行に加えられ
た場合に得られた信号に比較して、小さいと考えられ
る。変換器を構成しているフィルムの各条片は、長さが
幅よりかなり大きいように切断されており、変換器に
“平行”とは、その長さに平行であることを意味すると
理解される。変換器がその長さに沿ってひずむことによ
り最も感度が高いように、変換器のフィルムを切断する
ことにより、ピエゾ電気フィルムの異方性は有利に使用
される。第二に、接線方向の力が変換器に対し垂直と平
行の間の方向に加えられる場合、力は、変換器からの出
力信号を主に垂直な分力へ分解される。〔Ｋ〕行列（ト
ルクによる影響を除いて）は、次の表IIに与えられる。
【００２８】 表 II 垂直方向−Ｚ 接線方向−Ｘ 接線方向−Ｙ 変換器１４ １ １ ０ 変換器１８ １ −cos θ2 −sin θ2 変換器１６ １ −cos θ3 −sin θ3 行列を力へ分解することにより、直交列から次の値が求
められる。
【００２９】θ2 ＝θ3 ＝６０° これの値は、計算した最適位置であるが、好適な位置
は、３つの理由からθ2 ＝０°とθ3 ＝９０°である。
第一に、変換器として使用されるポリマーフィルムの条
片は、これの位置でセンサー上に良く適合する。第二
に、力の分力による影響は、視覚化するのに容易であ
る。第三に、３つの列のうち２つは垂直であり、これ
は、誤差の伝達を十分によく低減する。
【００３０】各４つの変換器１４、１６、１８、２０に
は、各変換器により検出された歪を表す信号を送る１組
のリード線３２が接続している。これらのリード線３２
は、図９に示されているように、基底３２の底面を通り
支持プレート３１に伸長して、信号増幅回路３４、接続
している。緩衝増幅回路３４は、変換器からの信号を緩
衝して、実質的な信号のずれもなく、また測定感度を低
下せずに、準定常状態の力の情報を与える状態出力信号
を送る。
【００３１】図１０は、本発明の好適な増幅回路３４の
拡大した細部を、各変換器に使用されるこの回路の１つ
について示す。回路３４は、演算増幅器３６、等価回路
が、図１０の点線内に示されたピエゾ電気ポリマーフィ
ルム３７、高抵抗値の抵抗体３８、コンデンサー４０と
より成り、これらはすべて、増幅器３６の回りにフィー
ドバック・ループで平行に接続している。ピエゾ電気変
換器の等価回路３７は、歪の関数として電荷を発生する
電流（すなわち電荷）供給源４２と、ピエゾ電気ポリマ
ーフィルムのキャパシタンスを表すコンデンサー４３よ
り構成されている。４つの個別の緩衝増幅器回路３７
が、各変換器１４、１６、１８、２０について１つ必要
である。本発明において、ピエゾ電気ポリマーフィルム
は、電荷転送素子でなく、電荷測定素子である。ポリマ
ーフィルムの有効キャパシタンスCpにかかる電圧は、フ
ィルムによって発生した電荷に比例し、つまり歪に比例
する。従って、増巾器３６からの出力電圧は、フィルム
内の歪に比例する。ピエゾ電気ボリマーフィルムがフィ
ードバック・ループに接続しているこの構成は、静電荷
緩衝の非常に望ましい性質を備えている。変換器コンデ
ンサー４３（キャパシタンスＣp)と平行に配置された抵
抗体３８（抵抗Ｒf)を組み込むことによって、緩衝回路
３４の長期安定性がさらに改善される。ほかのフィード
バック・コンデンサー４０（キャパシタンスＣf)が、演
算増幅器３６を飽和状態にするピエゾ電気ポリマーフィ
ルムによって電圧が発生する可能性を防止するために、
配置されている。この場合、このキャパシタンスＣf
に、コンデンサー４３（Ｃp)によって生成したフィード
バック・キャパシタンスを加えると、回路で利用可能な
利得を低下する。
【００３２】ピエゾ電気ポリマーフィルムは、特定レベ
ルの歪に与えられた電荷Ｑを発生する。電圧路線上のピ
エゾ電気ポリマーフィルムにかかる電圧Ｖf は、次のよ
うに、Ｑに比例する。 Ｖf ＝Ｑ／（Ｃp ＋Ｃf ）
【００３３】コンデンサー４０のフィードバック・キャ
パシタンス（Ｃf ）がない場合、荷電Ｑは、４３で表示
されたピエゾ電気ポリマーフィルムのキャパシタンスＣ
p に保持される。フィードバックコンデンサー４０があ
ると、電荷Ｑは、ポリマーフィルムのキャパシタンスＣ
p と、コンデンサー４２のキャパシタンスＣf との間で
分配され、出力電圧範囲は、コンデンサー４３のキャパ
シタンスの選択により所望のレベルへ選択することが出
来る。従って、時定数τはＲf ＋（Ｃp ＋Ｃf)に等し
い。ピエゾ電気ポリマーフィルムのキャパシタンスＣp
は定数であるので、フィードバック・コンデンサー４０
（Ｃf)は出来るだけ小さくなければならない。この時定
数τを出来るだけ長くするため、フィードバック抵抗体
３８（Ｒf)は、演算増幅器３６の定常状態出力バイアス
を飽和状態にすることなく、出来るだけ高くなければな
らない。フィードバック抵抗体３８（Ｒf)の値は、増幅
器３６の入力抵抗を支配するように、選択される。
【００３４】ここに使用されているように、フィードバ
ック抵抗３８（Ｒf)の増幅器入力抵抗の“支配”は、有
効抵抗が変換器３７と平行で、フィードバック抵抗体３
８の値の約９０％以上である場合（すなわち、フィード
バック抵抗体の値は、増幅器入力抵抗の約1/9 以下であ
る）、得られる。この意味で、放電ＰＣ時定数の長さ
は、増幅器３６の入力抵抗の変動性にもかかわらず、事
前に決定することが出来る。従って、緩衝増幅器回路３
４の性能は、高抵抗値の抵抗体３８（Ｒf)と、演算増幅
器３６の入力バイアス電流Ｉb により限定される。この
ようにして、特定の演算増幅器３６を選択すると、最小
入力バイアス電流の増幅器に集中する。１ピコアンペア
以下のいくつかの適切なＣＭＯＳ（相補形酸化金属膜半
導体）ベースの演算増幅器がある。次のものが市場で入
手出来る。アナログ・デバイスのＡＤ５１５Ａ電位計演
算増幅器、アナログ・デバイスの８５１５、テキサ・イ
ンストルーメンツのＴＣＬ２５ＬＣＰ、インターシルの
７６１１とほかの７６ＸＸ、アール・シー・エイのＣＡ
３１３０Ｅ。このような演算増幅器は、±５Ｖ以下の供
給路に限定され、従って、もう１つのフィードバック・
コンデンサー４０（Ｃf)をフィードバック路の電圧を±
４Ｖ以下に維持するために必要とする。コンデンサー４
０（Ｃf)からの追加されたキャパシタンスは、利得を低
下し、供給路間の出力電圧を維持する。必要な時間定数
を得るために、フィードバック抵抗体３８（Ｒf)は一般
に、１０11から１０12Ωの程度でなければならない。こ
のような高抵抗値の表面取付け抵抗体は、エルテック・
インストルー・メンツ・インコーポレーティド、デイト
ナビーチ、フロリダから入手出来る。緩衝増幅器回路３
４は、１４ピンＤ１９クオードＣＭＯＳ増幅器を中心と
して好適に形成されており、これにより、各変換器１
４、１６、１８、２０について１個を４つの緩衝増幅器
回路から集約して、これらの回路を、基底２４のセンサ
ーチップ１０の真下にある表面取付け装置内に配置する
ことが出来る。表面取付け装置は、直径１インチ高さ0.
５インチのシリンダー状に適切に格納されており、セン
サーチップ１０の基底２４へ直接に接着されている。次
に、表面取付け装置の底部は、"C"字断面の直径１イン
チのバンドクランプを使用してロボットの端末作動体へ
保持される。
【００３５】演算増幅器３６の出力信号は、ノイズの影
響がなく、コンピュータ及び計測器または演算装置へ容
易に転送される低インピーダンス信号である。増幅され
た信号は、信号をデジタル化するアナログ−デジタル変
換器とコンピュータへ送られ、デジタルのデータは分析
されて、上記の与えられた式に従って分力を決する。あ
るいは、変換器からの信号を、４つの分力を表している
信号に分解するに必要な信号処理は、ハードワイヤード
・アナログ回路の組み込むことが出来る。ビデオモニタ
ーなどの表示装置は、コンピュータにより制御されて、
作業者へ個々の分力を示すか、あるいは、これらの分力
のデータは、コンピュータにより処理されて、本発明の
視覚センサーチップを有するロボットのグリッパーの動
作を制御する。
【００３６】センサーチップ１０は、ロボットのハン
ド、グリッパー、触針、これに類するものの先端を形成
している１本の指の端部に設置されるが、センサーチッ
プ１０は、複数の指を有するロボットのハンドのほか
の、同じようなセンサーチップと一諸に使用するのに最
も適している。先行技術のロボットの指は、ほとんどが
自由度１で感知出来るような触覚センサ、例えば、２次
元配列で検出される物体への垂線方向の力を検出するこ
とだけが出来る触覚センサーを使用しているが、複数の
指より成るロボットのハンドにセンサーチップ１０を使
用すると、物体の感知において人間のハンドと優劣を競
うほどである。多くの把握の仕事において、人間のハン
ドは、把握される物体と３点接触（親指の先端と人差し
指と中指との先端）を形成する。３本の指と、指の先端
にある３つのセンサーチップ１０とを有するロボットの
ハンドの場合、図１１に示すように、物体は３つの接触
点で取り上げられ、各指は、ロボットの制御器へフィー
ドバック情報を送る。垂直方向の力だけを使用している
２接触点とは異なり、ロボットの把握に３接触点を使用
すると、一層安定した把握が行われる。センサーチップ
に加えられたかなりのねじれ分力が、ロボット制御器に
より感知されると、ロボットは、物体がその重量中心の
近くで把持されていないことを知らせて、次に物体の把
握を調整する。大きい接線方向の力の分力がロボットに
感知されると、ロボットは、物体が重く、握りから滑る
ことを知らせて、これに応じて、物体を落さないように
握りを調節することが出来る。
【００３７】センサーチップ１０の性能は、実験の結
果、本発明によるセンサーチップは、良い直線性、最小
のヒシスラリス、良好な繰返し性と範囲、力の分力間の
最低の相互作用を有することを明らかにした。センサー
チップ１０の直線性は、変換器の出力信号が、加えられ
たすべてのある程度の大きさの力について直線であるこ
とを意味する。直線性がないと、分力を減結合する上記
の式は、不正確になる。
【００３８】センサーチップ１０の製造手順は、図１２
に関し以下に述べられており、図１２は、センサーチッ
プ１０の型のキャビティ５０の断面を示す。型のキャビ
ティ５０は、センサーチップ１０の弾性基体１２の外形
を最初に形成することにより、製作される。図１３に示
すような標準のドリルビット５２は、木材またはほかの
軟質材に穴をあけるのに使用され、工具店で入手出来る
ものであるが、弾性基体１２の外形が、ドリルビットに
具現されるように修正される。ビットが荒削りの外形に
成った後、ビットはボール盤に装着される。スペード状
のビットを２０００rpm 以下で回転して、その外形を高
速度グラインダで研磨し、これによって外形の微調整を
行い、同時に回転中心回りのドリルビットの完全な対称
を整える。外形が仕上げられた後、ハンドやすりを使っ
て輪郭を鮮明にする。スペード状のすそのの縁だけは、
ビットの輪郭仕上げ中に除去されて、外形を保持し、同
時に切断した縁を明確にする。製作されたスペード状の
ビットは、図１４の５４として示されているように、傾
斜角０の個所があり、これは、プラスチックを切断する
のに具合いが良い。スペード状のビットの修正が完了す
ると、キャビティの外形を金型材に彫り込むビット５４
を使用して、型のキャビティの製作が完了する。ＰＶＣ
（塩化ビニール）は、ＲＴＶシリコンゴムへの粘着性が
低く、離型剤が不要である点で、金型材として適切な材
料である。弾性基体１２の取出しを容易にするため、キ
ャビティ型は割り型である。割り型は、多数のキャビテ
ィつまり外形で製作されることが適切であり、これによ
り、１回の成型作業で、多数のセンサーチップ１０の製
作が可能である。
【００３９】ＲＴＶシリコンラバーは、液体状で、厚さ
が約0.０２０インチの均一な膜のシートになる傾向があ
る。少量の液体状のシリコンをキャビティ５０のそれぞ
れに注入することから始まり、すべてのキャビティが液
体シリコンで被覆されるまで、金型が角度を変えて回転
すると、液体ＲＴＶの塗膜５６が形成する。次に、型は
一時わきに置かれて、ＲＴＶシリコンは、乾燥処理され
る。ＲＴＶは、キャビティ５０の中心にある空気溜り
と、キャビティ５０の内面に沿った薄い、均一な膜から
乾燥する。以降に説明するように、変換器１４、１６、
１８、２０を取付ける前にＲＴＶシリコンのシートでキ
ャビティ５０を被覆することにより、外境界面２２より
下に変換器を沈める素地が出来る。これは、ピエゾ電気
ポリマーフィルムのセンサーチップ１０への信頼される
接合を可能とし、連続使用時にセンサーチップ１０が層
剥離するのを防止する内部構造の接合状態を形成する。
【００４０】ピエゾ電気ポリマーフィルムは、適切な大
きさに切断される。この場合、フィルムの長さに沿って
適切な異方性の向きにフィルムを慎重に切断する。リー
ド線３２は、導電性エポキシ樹脂（例えば、トラーダク
ト２９０２、これはトラーコン・インコーポレイテッ
ド、メッドフォード、マサチュセッツより入力可能）に
よりフィルムに接合され、弾性基体１２または各変換器
のポリマーフィルムの機械的性質に干渉しないように、
最低量エポキシ樹脂だけが使用される。極く少量の導電
性エポキシ樹脂が、各変換器へリード線３２を接続する
ために必要であるので、直径0.００９インチでソリッド
ワイヤラップ構造のリード線３２が適している。特定の
リード線が、銀インク面のあるＰＶＤＦフィルムの組合
せで使用される場合でも、エポキシ樹脂で塗布された変
換器の表面積は、一般に５％より小さい。導電性エポキ
シ樹脂をリード線３２とフィルムとの場合に使用する
と、縁にある少量のその接着剤によりフィルムの反対の
面と短絡の恐れがある。この故障の状態は、変換器の抵
抗を測定する抵抗計を使用するか、あるいは、変換器の
キャパシタンスを測定して、明らかになる。リード線３
２を結合した後のもう１つの試験は、リード線３２自体
を軽く引張ることである。エポキシ樹脂のポットライフ
が１時間以下の程度である場合、エポキシ樹脂のポット
ライフの終り近くで行った接続は、失敗の割合が高い。
接着剤が乾燥した後に行うリード線３２の引張り試験に
より、センサーチップ１０に組付け後にあるいは故障す
る変換器を識別して、廃却することが出来る。リード線
３２がフィルムに固着されて前述の試験に合格した後
に、フィルムは、自然放置されたシリコンゴム接着剤に
浸漬されて、各変換器１４、１６、１８、２０の上に塗
膜５８を形成する。次に、変換器１４、１６、１８、２
０は、キャビティ５０内の所望の位置に配置される。変
換器上の自然放置されたシリコンゴムの塗膜、すなわち
粘着性のある接着剤は、プライマーとして働き、シリコ
ン接着剤が乾燥するまで、たるむことなく変換器を所定
の位置に保持する。
【００４１】変換器１４、１６、１８、２０が所定の位
置にあって、シリコン接着剤が乾燥すると、キャビティ
５０には、液体ＲＴＶが充填される。シリコンゴムは、
液体ゴムを基材にしたものである。塗膜５８を形成して
いるシリコンゴム接着剤は、必ずしも、キャビティ５０
の残部を充填するシリコンゴムと同一材料である必要は
ない。弾性基体１２の機械的性質に影響を与える空間、
を発生する攪拌する時に、空気を液のなかに混入するの
を防止するため、液を真空装置内に置いて、減圧するこ
とにより、空気から遮断することが適切である。低圧に
おいて、空気の泡が膨脹して破裂するので、ゴムは泡だ
らけになる。大気の条件の下で重要度の低い用途の場
合、真空による脱ガス段階は、次のような理由により、
工程から削除することが出来る。一般に、ＲＴＶシリコ
ンゴムが乾燥する前に、混入した空気の泡を表面に取り
出すため、細い線が使用された場合、特に、小さい混入
空気が、センサーチップ１０内で検出されたことが明ら
かにされたことによる。センサーチップ１０を極度の圧
力状態、例えば、海中及び宇宙で使用しようとする場合
は、しかし、脱ガス段階は、変形及び潜在する永久的損
傷がこれらの環境において発生するので、重要である。
１０％触媒、例えば、ダウ・コーニング・キャタリスト
“Ｓ”を基材に添加した場合、乾燥時間は約８〜１０時
間である。ＲＴＶシリコンゴムが乾燥すると、キャビテ
ィ５０は型分離して、センサーチップが取り出される。
簡単な製造工程と材料の低コストの点から、センサーチ
ップ１０は、いくつかの用途で消費可能であり、容易に
交換することが出来る。センサーチップ１０に物理的、
熱的、または電気的などの性質を交互に得るために、キ
ャビティ５０は、各種シリコンゴム材の層を種類別に充
填することが出来る。特性の異なるセンサーチップ１０
は、各種のロボットの用途に必要である。
【００４２】センサーチップ１０の製造に続いて、セン
サーチップを試験して較正することが必要である。セン
サーチップの試験には、減結合アルゴリズムに使用され
る定数の計算に必要な出力データを正確に生成するため
に、既知のレベルの力を配分する能力が必要である。従
って、較正に適した力の配分装置は、純粋な力を配分し
て、同時にセンサーチップ１０の出力を記録することが
出来なければならない。
【００４３】力の配分装置６０は、図１５、図１６、図
１７に示されている。図１５は、垂直方向の力（ＦN ）
と接線方向の力（ＦT ）とをそれぞれ配分する、Ｚ軸音
声コイル駆動装置６２とｘ軸音声コイル駆動装置６３の
説明図を示す。本発明の較正装置内の力配分用駆動装置
の好適な構造は、定磁気抵抗永久磁石モータの構造とな
っている。必要な運動範囲は小さいので、単一コイル回
転子が永久磁界内で使用することが出来る。図１６に示
されているように、駆動装置６２と６３（これらは、市
場で入力出来る音声コイルユニットである）それぞれ、
基部６６、外側部材６８、コア部材７０より成る“Ｅ”
字断面永久磁石より構成している。永久磁石６４は、コ
アが１つの極を形成するように指向しており、外側部材
は、反対の極を形成している。図１５において、コアは
“Ｓ”であり、外側部材は“Ｎ”である。音声コイル７
４は、コア部材７０と外側部材６８との間のギャップに
配置されている。プラットフォーム（これは、スピーカ
コアの部分）は、構造内の支持部からスプリング状のつ
り手７８により懸垂されており、プラットフォーム７６
は、音声コイル７４へ固定されている。
【００４４】プラットフォーム７６の運動は、個々の駆
動装置６２または６３の音声コイル７４へ電流の誘導に
より、誘起される。音声コイル７４は、回転子として働
き、“Ｅ”字断面永久磁石６４は、固定子として働く。
図１４に示されているように、Ｚ軸駆動装置６２は、ア
ームに取付けられて試験されているセンサーチップ１０
へ、垂直方向の力を配分する。Ｘ軸駆動装置６３は、セ
ンサーチップ１０の末端点２８を横切った直線状送り台
８０の運動によって接線方向の力を配分する。直線状送
り台８０は、アーム８１により駆動装置６３のプラット
フォーム７６へ取り付けられている。センサーチップ１
０へ加えられるこの垂直方向と接線方向の力は、図７と
図８に示され、説明されている。垂直方向の力が加わる
と、駆動装置６２は、センサーチップ１０を動かして直
線状送り台８０に押し当てる。接線方向の力が加わる
と、駆動装置６３は、末端点２８を横切って直線状送り
台を動かすので、センサーチップ１０は、駆動装置６２
により制止状態に保持される。音声コイル駆動装置を使
用することにより、コイル７４に誘導された電流とセン
サーチップ１０が受けた力との間に、線形の関係が生ま
れる。電流との力の直線性を成立するために、電流経路
長と磁石６４の磁界密度とのベクトル積は、一定に保た
れなければならない。短い電流経路と大きい磁界、また
は、長い電流路と小面積の磁界によって、これが達成さ
れる。これらのいずれかの形態の場合、音声コイルは、
磁界内を前方または後方に移動し、力は、電流に比例し
ている。正味の効果は、力／電流の単位で一定の利得で
ある。しかし、音声コイルは、電流と力との線形関係を
維持するために、運動時に磁石６４の磁界内になければ
ならない。回転子−音声コイル７４−が軽いので、較正
力配分装置６０は応答が速い。
【００４５】図１５は、垂直方向の力（ＦN ）の音声コ
イル駆動装置６２と、接線方向の力（ＦT ）の２つの音
声コイル駆動装置６３の１つを示す。図１７は、力がＺ
空間とＸ軸方向にそれぞれ働く駆動装置６２と６３を示
す説明図である。第３の駆動装置８２は、駆動装置６２
と６３のそれぞれにより加えられた力に垂直なＹ方向
に、接線方向の力を加えるように位置づけられている。
駆動装置８２は、図１６に示された駆動装置と同様に製
作されている。
【００４６】接線方向のＸ軸とＹ軸の力を加えることが
出来るためには、図１７に図示されたような直線状の送
り台の装置が必要である。Ｘ軸駆動装置６３に取り付け
られた直線状送り台８０は、固定部材８４に対し滑動す
るように取り付けられている。直線状送り台８０には、
固定部材８４のＶ字受溝８８に蟻ほぞ係合しているＶ字
突起８６があり、Ｖ字突起とＶ字受溝は、固定部材８４
に対し直線状送り台８０が滑動係合を維持するように働
き、従って、アーム８１は、駆動装置６２の運動に対し
直角に、直線状に動く（ここでは、Ｘ軸に相当する）。
もう１つの直線状送り台９０は、第１の直線状送り台８
０のＶ字受溝９２内で蟻ほぞ係合しており、Ｙ軸駆動装
置８２に装着されている。直線状送り台９０は、アーム
９３により駆動装置８２のプラットフォーム７６へ装着
されている。直線状送り台９０は、直線状送り台に対す
る直線状送り台９０の滑動係合を維持し、従って、アー
ム９３は、駆動装置６２と駆動装置６３のアーム８１に
直角に直線状に動く（ここでは、Ｙ軸に相当する）。直
線状送り台９０に装着しているアーム９３の端部は、直
線状送り台９０の端部の溝９６に適合する形状をなして
いる。従って、直線状送り台の装置が、殊にＸ軸に沿っ
て直線状送り台８０が動くと、直線状送り台９０は、ア
ームによって拘束されずに動く。このようにして、図１
８の直線状送り台装置により、送り台は、拘束されるこ
となく、Ｘ軸とＹ軸に沿って動き、直線状送り台８０に
対し末端点２８で位置づけされるセンサーチップ１０へ
接線方向の力を加えることかが出来る。
【００４７】センサーチップ１０に加えられたトルクを
試験測定する為に、トルク駆動装置が、図１８に示すよ
うに、使用される。トルク駆動装置９６は、低質量の回
転子とボールベアリングを有する小型のかご形直流モー
タより成っている。センサーチップ１０にトルクが加え
られると、トルク駆動装置９６は、直線状送り台８０に
対しセンサーチップ１０を回転する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサーチップの見取り図である。
【図２】センサーチップの側面図である。
【図３】センサーチップの上平面図である
【図４】センサーチップの単純化した側面図にして、弾
性基体の凸面に沿って、基底に対し垂直な線からとった
角度θにおけるピエゾ電気ポリマフィルム変換器の中心
の位置を示している。
【図５】センサーチップの単純化した上平面図にして、
円形の基底の回りのピエゾ電気ポリマーフィルム変換器
の位置を示している。
【図６】指部材に取り付けられたセンサーチップを示す
センサーチップ断面図である。
【図７】センサーチップに働く垂直方向の力を示す説明
図である。
【図８】センサーチップに働く接線方向の力を示す説明
図である。
【図９】変換器に感知されて、弾性基体内の歪を減結合
した分力の力とトルクへ変換するための、本発明による
装置の構成図である。
【図１０】本発明の緩衝増幅器回路の回路図である。
【図１１】３本の指を有し、各指がセンサーチップを有
しているロボットのグリッパーハンドによる３点把持の
部分説明図である。
【図１２】センサーチップの製造に使用されるキャビテ
ィ型の断面図である。
【図１３】センサーチップの製造に使用するために修正
された代表的ドリルビットである。
【図１４】修正後の図１３のドリルビットである。
【図１５】本発明の４つの分力配装置のうちの２つの構
成要素の説明図である。
【図１６】本発明による音声コイル駆動装置の１つの若
干単純化した断面図である。
【図１７】１つの垂直方向の力と２つの接線方向の力を
配分する音声コイルと、トルク駆動装置とより成る、本
発明の力配分装置の４つの構成要素の構成を示す説明用
側面図である。
【図１８】Ｘ軸とＹ軸に力の印加を可能ならしめる代表
的直線状の送り台装置の説明図である。

Claims (50)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 物体を操作することが出来るロボットの
    ハンドに使用され、また物体によりセンサーチップに働
    く力に関するフィードバック情報を送るセンサーチップ
    において、 (a) 操作される物体に接触する３次元の外側境界面を有
    し、操作される物体に比較して比較的に柔軟な材料によ
    り形成されている弾性基体と、 (b) 歪を示す電気的信号を発生し、前記基体の外側境界
    面の近くの前記弾性体内に配置されて、操作される物体
    によって前記センサーチップに働く力またはトルクの分
    力に関する情報を発生する変換器と、 (c) 前記変換器により発生した電気的信号を受信して出
    力信号を送り、入力と出力とを有する演算増幅器より成
    り、前記変換器が前記増幅器の前記出力と入力との間の
    フィードバックループに接続しまた前記変換器内の歪を
    示す出力電圧を前記増幅器から発生せしめている緩衝増
    幅器装置と、を有することを特徴とするセンサーチッ
    プ。
  2. 【請求項２】 前記変換器がピエゾ電気ポリマーフィル
    ムの条片であることを特徴とする請求項１に記載のセン
    サーチップ。
  3. 【請求項３】 前記変換器が充電源であることを特徴と
    する請求項１に記載のセンサーチップ。
  4. 【請求項４】 前記変換器と平行に前記増幅器の入力と
    出力との間に接続された高抵抗のフィードバック抵抗体
    を更に有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ
    ーチップ。
  5. 【請求項５】 前記フィードバック抵抗体が前記増幅器
    への入力抵抗を支配するように選択されていることを特
    徴とする請求項４に記載のセンサーチップ。
  6. 【請求項６】 前記増幅器の前記入力バイアスが１ピコ
    アンペア以下であることを特徴とする請求項４に記載の
    センサーチップ。
  7. 【請求項７】 前記フィードバック抵抗体の前記抵抗１
    ０11から１０12オーム程度であることを特徴とする請求
    項４に記載のセンサーチップ。
  8. 【請求項８】 前記変換器と平行に接続し、前記増幅器
    の出力電圧範囲の選択を可能とするフィードバック・コ
    ンデンサーを更に有することを特徴とする請求項４に記
    載のセンサーチップ。
  9. 【請求項９】 前記基体の前記外側境界面が基底と前記
    基底から伸長している凸面とを有し、前記凸面が前記基
    底から最大距離にある末端点を有し、前記緩衝増幅器装
    置が前記センサーチップの前記基底に配置されているこ
    とを特徴とする請求項１に記載のセンサーチップ。
  10. 【請求項１０】 少なくとも３つの力の変換器と緩衝器
    装置があり、前記変換器が基記基体の別個の位置に配置
    されまた前記基体に働く２つの独立した接線方向の力の
    分力と１つの独立した垂直方向の力の分力とに関する情
    報を発生することを特徴とする請求項９に記載のセンサ
    ーチップ。
  11. 【請求項１１】 前記基体に働くトルクの分力に関する
    情報を発生し前記センサー基体の別個の位置にある４つ
    の変換器があることを特徴とする請求項１０に記載のセ
    ンサーチップ。
  12. 【請求項１２】 前記弾性基体の材料がシリコンゴムで
    あることを特徴とする請求項１に記載のセンサーチッ
    プ。
  13. 【請求項１３】 物体を操作することが出来るロボット
    のハンドに使用され、また前記物体によりセンサーチッ
    プに衝く力に関するフィードバック情報を送るセンサー
    チップ・システムにおいて、 (a) 操作される前記物体と接触する３次元の外側境界面
    を有し、操作される前記物体と比較して比較的に柔軟な
    材料により形成された弾性基体と、 (b) 前記基体の前記外側境界面の近くの別個の位置で前
    記基体へ取り付けられた少なくとも３つの変換器、それ
    ぞれがそこの歪を示す電気的信号を発生し、また接触し
    ている前記物体の操作から生じた前記基体への力または
    トルクの分力に関する情報をもたらす前記変換器と、 (c) 各変換器により発生した電気的信号を受信して出力
    信号を送る緩衝増幅器装置であり、各前記変換器の入力
    と出力を有する演算増幅器より成り、前記変換器がそれ
    ぞれその各増幅の前記入力と前記出力との間のフィード
    バックループに接続して前記変換器内の歪を示す出力電
    圧を前記増幅器から発生せしめている前記緩衝増幅器装
    置と、 (d) 前記緩衝増幅器装置からの電気信号を減結合して前
    記基体に働く力またはトルクの独立した分力を分解する
    装置と、を有することを特徴とするセンサーチップ・シ
    ステム。
  14. 【請求項１４】 前記変換器がピエゾ電気ポリマーフィ
    ルムの条片であることを特徴とする請求項１３に記載の
    センサーチップ・システム。
  15. 【請求項１５】 前記変換器が充電源であることを特徴
    とする請求項１３に記載のセンサーチップ・システム。
  16. 【請求項１６】 前記変換器と平行に各増幅器の入力と
    出力との間に接続された高抵抗のフィードバック抵抗を
    更に有することを特徴とする請求項１３に記載のセンサ
    ーチップ・システム。
  17. 【請求項１７】 前記フィードバック抵抗体が前記増幅
    器への入力抵抗を支配するように選択されることを特徴
    とする請求項１６に記載のセンサーチップ・システム。
  18. 【請求項１８】 各増幅器の前記入力バイアスが１ピコ
    アンペア以下であることを特徴とする請求項１６に記載
    のセンサーチップ・システム。
  19. 【請求項１９】 前記フィードバック抵抗体の前記抵抗
    が１０11から１０12オーム程度であることを特徴とする
    請求項１６に記載のセンサーチップ・システム。
  20. 【請求項２０】 前記変換器と平行に接続し前記増幅器
    の出力電圧範囲の選択を可能とするフィードバック・コ
    ンデンサーを更に有することを特徴とする請求項１６に
    記載のセンサーチップ・システム。
  21. 【請求項２１】 前記基底の前記外側境界面が基底と前
    記基底から伸長している凸面とを有し、前記凸面が前記
    基底から最大距離にある末端点を有し、前記緩衝増幅器
    装置が前記センサーチップの前記基底に配置されている
    ことを特徴とする請求項１３に記載のセンサーチップ・
    システム。
  22. 【請求項２２】 前記弾性体の材料がシリコンゴムであ
    ることを特徴とする請求項１３に記載のセンサーチップ
    ・システム。
  23. 【請求項２３】 物体を操作することが出来るロボット
    のハンドに使用され、また物体によりセンサーチップに
    働く力に関するフィードバック情報を送るセンサーチッ
    プにおいて、 (a) 操作されている物体に接触している基体と、 (b) 電気的信号を発生して、操作されている物体により
    前記センサーに働く力またはトルクの分力に関する情報
    をもたらす前記基体に配置された変換器と、 (c) 変換器により発生した電気的信号に関し出力信号を
    送り、入力と出力と有する演算増幅器より成り、前記変
    換器が前記増幅器の前記出力と入力との間のフィードバ
    ックループに接続しまた前記変換器内の歪を示す出力電
    圧を前増幅器から発生せしめている緩衝増幅器と、を有
    することを特徴とするセンサーチップ。
  24. 【請求項２４】 前記変換器がピエゾ電気ポリマーフィ
    ルムの条片であることを特徴とする請求項２３に記載の
    センサーチップ。
  25. 【請求項２５】 前記変換器が充電源であることを特徴
    とする請求項２３に記載のセンサーチップ。
  26. 【請求項２６】 前記変換器と平行に前記増幅器の入力
    と出力との間に接続された高抵抗フィードバック抵抗体
    を更に有することを特徴とする請求項２３に記載のセン
    サーチップ。
  27. 【請求項２７】 前記フィードバック抵抗体が前記増幅
    器への入力抵抗を支配するように選択されることを特徴
    とする請求項２６に記載のセンサーチップ。
  28. 【請求項２８】 前記増幅器の入力バイアスが１ピコア
    ンペア以下であることを特徴とする請求項２６に記載の
    センサーチップ。
  29. 【請求項２９】 前記フィードバック抵抗体の前記抵抗
    が１０11から１０10オーム程度であることを特徴とする
    請求項２６に記載のセンサーチップ。
  30. 【請求項３０】 前記変換器と平行に接続して前記増幅
    器の出力電圧範囲の選択を可能とするフィードバック・
    コンデンサーを更に有することを特徴とする請求項２６
    に記載のセンサーチップ。
  31. 【請求項３１】 物体を操作することが出来るロボット
    のハンドに使用されるセンサーチップの製造法であり、
    前記センサーチップが、操作されている前記物体と接触
    している３次元の外側境界面を有する弾性基体と前記物
    体の操作から発生した前記基体の歪を示す電気的信号を
    発生する変換器とを有する前記製造方法において、 (a) 前記弾性基体の所望の外形に形成されたキャビティ
    を有する金型を製作し、 (b) 液状の乾燥可能なエラストマーの層で前記キャピテ
    ィを塗布し、また前記層を乾燥し、 (c) 前記キャビティ内で前記乾燥された塗膜上に前記キ
    ャビティ内の所望の位置に前記変換器を配置し、 (d) 前記キャビティを液状の乾燥可能なエラストマーで
    充填し、さらに前記エラストマーを乾燥する、ことを特
    徴とする方法。
  32. 【請求項３２】 前記金型にキャビティを形成する前記
    工程が、 (a) ドリルビットを前記弾性基体の前記所望の外形に形
    づくり、 (b) 前記ドリルビットを使用してキャビティを型材にド
    リル加工する、工程を更に有することを特徴とする請求
    項３１に記載の方法。
  33. 【請求項３３】 前記液状の乾燥可能なエラストマーが
    シリコンゴムであることを特徴とする請求項３１に記載
    の方法。
  34. 【請求項３４】 前記キャビティが割り型により形づけ
    られ、前記の乾燥された弾性基材を取り外すため前記割
    り型を分離する工程を更に有することを特徴とする請求
    項３３に記載の方法。
  35. 【請求項３５】 前記キャビティを塗布する段階が約0.
    ０２０インチの厚さの液状シリコンのシートを形成する
    ために行われることを特徴とする請求項３３に記載の方
    法。
  36. 【請求項３６】 (a)前記キャビティ内に前記変換器を配
    置する前に、前記変換器をシリコンゴムの接着剤に浸漬
    し、 (b) 液状シリコンゴムで前記キャビティを充填する前
    に、前記シリコンゴムの接着剤を乾燥する、工程を更に
    有することを特徴とする請求項３３に記載の方法。
  37. 【請求項３７】 前記変換器が銀インク面を有するピエ
    ゾ電気ポリマーフィルムであることを特徴とする請求項
    ３１に記載の方法。
  38. 【請求項３８】 物体を操作することが出来るロボット
    に使用されるセンサーチップを較正する装置であり、前
    記センサーチップが、操作されている前記物体に接触し
    ている３次元の外側境界面を有する弾性基体と、前記物
    体の操作により発生する前記基体の歪を示す電気的信号
    を発生する少なくとも１つの変換器を有する前記装置に
    おいて、 (a) 磁界を形成する磁石と、 (b) それへの電流の誘導により誘起されて動く前記磁界
    内の小範囲の運動のために支持されているコイルと、 (c) 前記センサーチップへ加えられた力が前記コイルへ
    加えられた前記電流と１次的に関係あるように、前記セ
    ンサーチップが表面に接触するように指向している前記
    センサーチップを前記コイルに取り付けるための装置
    と、 (d) 前記変換器により与えられた信号の大きさを測定さ
    れるべき印加された力と関係づける比例定数を可能とす
    る前記変換器により生成された前記信号を測定するため
    の装置と、を有することを特徴とする装置。
  39. 【請求項３９】 前記センサーチップに加えられた前記
    の力が前記弾性基体の表面に垂直な力であることを特徴
    とする請求項３８に記載の装置。
  40. 【請求項４０】 前記センサーチップが前記表面に接触
    して回転するための装置を更に有することを特徴とする
    請求項３８に記載の装置。
  41. 【請求項４１】 回転するための前記装置が直流モータ
    ーであることを特徴とする請求項４０に記載の装置。
  42. 【請求項４２】 物体を操作することが出来るロボット
    に使用されるセンサーチップを較正する装置であって前
    記センサーチップが、操作されている前記物体に接触し
    ている３次元の外側境界面を有する弾性基体と、前記物
    体の操作により発生する前記基体の歪を示す電気的信号
    を発生する少なくとも１つの変換器とを有する前記装置
    において、 (a) 磁界を形成する磁石と、 (b) コイルへの電流の誘導により誘起されて動く前記磁
    界内の小範囲の運動のために支持されている前記コイル
    と、 (c) 前記センサーチップを選択された位置に取り付るた
    めの装置及び前記センサーチップへ加えられた力が前記
    コイルへ誘導された電流と１次的に関係づけられるよう
    に、面が前記センサーチップに接触して動くように指向
    されている前記の面を前記コイルへ取り付けるための装
    置と、 (d) 前記変換器により与えられた信号の大きさを測定さ
    れるべき印加された力と関係づける比例定数を可能とす
    る前記変換器により生成された前記信号を測定するため
    の装置と、を有することを特徴とする装置。
  43. 【請求項４３】 表面を有する前記部材が直線的滑動体
    であることを特徴とする請求項４２に記載の装置。
  44. 【請求項４４】 前記センサーチップに加えられた力が
    前記弾性基体の表面に接線方向の力であることを特徴と
    する請求項４０に記載の装置。
  45. 【請求項４５】 (a) 第２の磁界を形成する第２の磁石
    と、 (b) それへの電流の誘導により誘起されて動く前記磁界
    内の小範囲の運動のために支持された第２のコイルであ
    って、前記表面が２つの異なる垂直な方向に動くように
    指向されており、前記センサーチップに接触して前記コ
    イルに垂直な方向に動くように前記表面を指向する前記
    第２のコイルと、を更に有することを特徴とする請求項
    ４２に記載の装置。
  46. 【請求項４６】 表面を有する前記部材が２つの垂直な
    方向の運動を可能にする直線形滑動装置であることを特
    徴とする請求項４５に記載の装置。
  47. 【請求項４７】 前記センサーチップへ加えられた力が
    前記弾性基体の表面にいずれも接していることを特徴と
    する請求項４５に記載の装置。
  48. 【請求項４８】 (a) 第２の磁界を形成する第２の磁石
    と、 (b) それへの電流の誘導により誘起されて動く前記第２
    の磁界内の小範囲の動向のための支持された第２のコイ
    ルであって、 前記センサーチップを取り付けるための装置が前記第２
    コイルの運動により前記表面に接触して動く前記第２の
    コイルと、を更に有することを特徴とする請求項４２に
    記載の装置。
  49. 【請求項４９】 前記表面に接触するように前記センサ
    ーチップを回転するための装置を更に有することを特徴
    とする請求項４２に記載の装置。
  50. 【請求項５０】 回転するための前記装置が直流モータ
    であることを特徴とする請求項４９に記載の装置。
JP3006347A 1990-01-24 1991-01-23 ロボットのグリッパー用センサーチップとその製造法 Pending JPH0755611A (ja)

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US07/469,381 US5010773A (en) 1990-01-24 1990-01-24 Sensor tip for a robotic gripper and method of manufacture
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