JPS60120229A - 触・圧覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、触・圧覚センサに関し、特に分布型触・圧覚
センサ関するものである。

近年、人間には危険または困難な作業を、人間に替わっ
て遂行し得る種々の機能を有１−るロボットが開発され
、これに伴って感覚センサも各種のものが開発されてい
る。

触・圧覚センサは、ロボットハンドの把持面を正確に位
置決めしたり、触覚的に把持物体の形状を認識したり、
あるいは接触面の変化から把持物体のすへりを検出した
りするのに必要不可欠であり、従来から開発努力がなさ
れているが、従来の触・圧覚センサには、機械的スイッ
チを用いるものや、導電ゴム等の抵抗変化を利用するも
の等があるが、これらは、一般に高密度配置ができない
ために分解能が低かったり、あるいは、高密度配置が可
能な場合でも、触・圧覚センサとしての前記機能を発揮
するために充分な広さの検出面を確保できないという問
題があり、これら問題点の解決が望まれている。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、分解能が高くロボットハンドへの装着を可能とする
コンパクトな構成であり、しかも機能発揮のために充分
な広さの検出面を確保できる、高密度分布型触・圧覚セ
ンサを提供することを目的としている。

この目的に対応して、この発明の触・圧覚センサは透明
板の一方の面に沿って可撓性を有する材料からなるシー
トを配設し、前記透明板の他方の面に沿って光電変換素
子群を一様かつ高密度に配設し、かつ前記透明板に側面
から光を入射させ得る光照射装置を備えることを特徴と
している。

以下、この発明の詳細を、一実施例を示す図面について
説明する。

第１図、第２図及び第３図において、１は触・圧覚セン
サである。触・圧覚センサ１はガラスやアクリル等でな
る直方体の透明板２を備えている。

透明板２の一方の面３には、例えば白色のシリコンゴム
のような、可撓性を有する材料からなり、かつ光をよく
反射し得るシート４が接しており、シート４の百３と接
する側の面には、一様に細かいピッチで分子ｆｉする凹
凸からなる凹凸面５が形成されており、その凸部５ａの
先端点において透明板２の而３と接している。凹凸の形
状としては例えば円錐形等を用いることができる。

透明板２の面３と平行な面６に対向する位置には、面６
と接触しない距離をおいて、一様かつ高密度にフォトト
ランジスタ等の光電変換素子７の群が配設されており、
これら光電変換素子群はハウジング９に収納されている
。

透明板２の１つの側端面８には多数のオプティカルガイ
ド１１の末端が１列に密に配列され、各オプティカルガ
イド１１は光源（図示せず）につながっており、透明板
の中に光を照射し得る。

透明板２の側端面８に対向するもう一端の側端面１２を
覆って、平面鏡１３が取り付けられており、透明板２の
側端面８上の各オプティカルガイド１１の末端から照射
された光をまた側端面８に向かって反射させ得る。

光電変換素子７は、例えば３ｍｍのピッチで縦横に並ん
でいる。一方、透明板２の面６の大きさは例えば５０＋
ｕ＋ｘ　１００ＦＩＩｌであり、従って、光電変換素子
７は例えば全部で１６Ｘ３０個が１６行３０列に配列さ
れている。

各列１６個ずつの光電変換素子７は１列分ずつ、１６チ
ヤンネルのマルチプレクサ１４（第４図）につながれ、
３０列に対応する３０個のマルチプレクサがそれぞれ１
つずつの異なるＡＤ変換器１５につなげられ、列毎に各
光電変換素子７からの電気出力をデジタルデータに変換
し、３０個のＡＤ変換器１５はすべてコンピュータ１６
につながっていて、各列毎のデジタルデータをコンピュ
ータ１６に送り、コンピュータ１６は各マルチプレクサ
１４につながっており、各マルチプレクサ１４に電気信
号を送って各列毎にデータを処理するように構成されて
いる。

またデータの読出しは第５図のよりにすれば、結線を少
なくすることができる。この回路はフォトトランジスタ
をマトリクス状に結線し、それぞれへの供給電圧をアナ
ログスイッチで切換えることにより、各列単位でフォト
トランジスタを駆動し、さらに、その出力をアナログス
イッチで選択することにより、シリアルに列中の個々の
フォトトランジスタの出力を読出すものである。例えば
図中のアナログスイッチａをＯＮにし、伯をＯＦＦの状
態にすると、（１，１＞、（２，２）・・・（ｎ、１）
の列のフォトトランジスタにのみ電源が供給され、それ
らの出力電流が負荷抵抗ＲＯに流れる。一方、行セレク
ト信号により、例えばアナログスイッチｂをＯＮにする
と、フォトトランジスタ（１，１）の出力が演棹増幅器
Ｃに送られ、さらにＡＤ変換器へと転送される。行セレ
クト信号を遂次切換えていけば、同様にして、１列目の
各フォトトランジスタの出力を読み出すことができる。

１列すべて読出しが終了した後、列セレクト信号を切換
えて、２列目のアナログスイッチａ＋１をＯＮにし、以
下１列目の手順をくり返ぜば、各フォトトランジスタ出
力を読みだすことができる。

このように構成された触・圧覚センサ１において、オプ
ティカルガイド１１から透明板２の中に光が照射されて
いる時に、第３図に示す如くシート４の外面からシート
４に垂直なノＪＦがかかると、シート４が弾性前影を起
こし、シート４の凹凸面５が押し潰されて変形するが、
弱く押されている箇所では凸部５ａの先端近傍だ（プが
透明板２の而３に接し、強く押されている箇所では、そ
の力の強さに応じて凹部の一部あるいは全部が面３に接
した状態となる。

一方、光学上、透明板の中をある臨界角以下の入射角で
、透明板の表面に向かって進行する光は、透明板の表面
が空気に接している場合には殆ど全反射してまた透明板
の中に戻るが、透明板の表面がこの実施例におけるシー
トのような物質に接している場合には、透明板の表面を
透過し、またその物質にその光が反射された場合は、そ
の反射光は再び透明板の表面を透過して透明板の中に戻
るという性質を有する。

さて、力Ｆによってシート４が押付警ブられている箇所
以外では透明板２の而３は、シート４の凹凸面の凹部に
入っている空気に接しており、オプティカルガイド１１
から透明板２の中に照射された光は、おおむね前記臨界
角以下の入射角で透明板２の面３に向かって進行するの
で、面３において殆ど全反射してまた透明板の中に戻り
、透明板２の他方の面６に向かうが、面６は空気と接し
【いるので面６においても光は殆ど全反射して透明板２
の外に出ることなく進み側面１２に取付けられた平面１
１１３で反射されて、また透明板２の中に戻される。

シート４が押付けられている箇所では、透明板２の百３
に達した光は面３を透過して白いシリコンゴム等のシー
トの表面で反射して再び、面３を透過し、透明板２の中
に入る。

この時のシートの表面における反射はシートの材質上、
乱反射となるので、反射角は入射角と必ずしも一致せず
、面３と垂直に近いものも出て、これら面３と垂直に近
い光は而３を透過し、垂直に近い入射角で面６に達する
ので、前記臨界角以上となり面６をも透過して、面６に
対向して一様かつ高密度に配設された光電変換素子７の
中の力Ｆで押された箇所に対向する位置にあるものに達
する。乱反射した光のうち面３となす角の小さいものは
面６で反射し他の光と共に透明板の中に進む。

シート４を押す力Ｆによって強く押されている部分はど
シート材が面３と接する面積が大きくなり、従ってその
位置に対応づる位置にある光電変換素子７に達する先山
も多く、光電変換素子７による電気出力も大きくなる。

これらの光電変換素子７がらの電気出力は列毎にマルチ
プレクサ１４に入り、ＡＤ変換器１５で電気出力の大き
さに応じた大きさのデジタルデータに変換され、コンピ
ュータ１６によって処理され、力Ｆによるシート４への
圧力分布が検出される。即ら、シート４への圧力の位置
と大きさとの分ｔ５を検出することが出来、どんな形状
のものがどの位の強さでシートを押しているかを識別す
ることができる。

このときの圧力分布を、コンピュータ１６からモニタテ
レビ（図示せず）に映像として送ることもできる。

このように構成５された触・圧覚センサ１をロボットハ
ンドの手先に装着するときは、例えば第６図に示すよう
に、ロボットハンド１７の把持面にシート４を対応させ
、オプティカルガイド１１をロボットハンドの手首側に
対応させるようにして、ロボットハンド１７に埋め込む
。

他の実施例として、シート４を押す力の位置の分布だけ
を検出して、シート４に触れている物体の位置や形だけ
を知りたい場合には、ＡＤ変換器１５の代りに、コンパ
レータとすることができる。

この場合、光電変換素子７から発せられた電気出力は、
マルチプレクサ１４を介してコンパレータ（図示せず）
に入り、ある出力レベル以上と以下とに２値化されてコ
ンピュータ１６に入り、前記あるレベル以上の圧力の位
置の分布が検出される。

［実験例］ シート４の凹凸の形状が頂角１１８°の円錐形でピッチ
が５ｍｍである触・圧覚センサに金属製のリングを押付
けたところ、モニタテレビ上に第７図に示す明瞭なコン
トラストのついた、圧力分布のパターンを得た。

以上の説明から明らかな通り、この発明によれば分解能
が高く、ロボットハンドへの装着を可能とするコンパク
トな構成で、かつ機能発揮のために充分な広さの検出面
を確保できる高密度分布型触・圧覚センサを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わる触・圧覚センサの
構成を示す斜視説明図、第２図はロボットハンドに装着
された触・圧覚センサの縦断面説明図、第３図は第２図
の触・圧覚センサに圧力が加わった状態を示す説明図、
第屯図はデータ読み出し機構の構成説明図、第５図は結
線を少なくできるデータ読出し回路図例、第６図は触・
圧覚センサを装着したロボットハンドを示す斜視説明図
、及び第７図は実験例でモニタテレビ上に得られた圧り
分布パターンである。 １・・・触・圧覚センサ　２・・・透明板　４・・・シ
ート　５・・・凹凸面　５ａ・・・凸部　７・・・光電
変換素子　１１・・・オプティカルガイド　１３・・・
平面Ｒ１４・・・マルチプレクサ　１５・・・ＡＤ変換
器　１６・・・コンピュータ　１７・・・ロボットハン
ド 第１図 第２図 第３図 第４図 ４ ■ 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 透明板の一方の面に沿って可撓性を有する材料からなる
   シートを配設い前記透明板の他方の面に沿って光電変換
   素子群を一様かつ高密度に配設し、かつ前記透明板に側
   面から光を入射させ得る光照射装置を備えることを特徴
   とする触・圧覚センサ