JPS60161539A - Sensation-of-pressure discrimination control apparatus - Google Patents

Sensation-of-pressure discrimination control apparatus

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JPS60161539A
JPS60161539A JP59016772A JP1677284A JPS60161539A JP S60161539 A JPS60161539 A JP S60161539A JP 59016772 A JP59016772 A JP 59016772A JP 1677284 A JP1677284 A JP 1677284A JP S60161539 A JPS60161539 A JP S60161539A
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Abstract

PURPOSE:To control the sensation-of-pressure discrimination of a robot near to human sensation, by detecting two-dimensional distribution of component forces in three directions by a sensation-of-pressure sensor array having predetermined constitution and applying required processing thereto by a microcomputer to perform control. CONSTITUTION:The fine sensation-of-pressure sensor module 21 of a sensation- of pressure sensor array 20 is constituted of a pressure receiving plate 23 and a sensation-of-pressure sensor 25 comprising a monocrystalline silicon ring and said sensor 25 is constituted of a plarality of diffusion type strain gauges 27. By this constitution, pressure component forces in three directions are detected with high accuracy without generating mutual interference and histeresis by the high density arrangement type small sensor 21 and the two-dimensional distribution of pressure component forces in three directions is measured through a scanner amplifier 33. The measured value is operated on the basis of predetermined algorithm through a microcomputer and converted to fundamental quantity data required in the discrimination of sensation of pressure and the sensation-of-pressure discrimination of a robot near to human sensation is controlled by feed-back control.

Description

【発明の詳細な説明】 [/i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/\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、すベ
リ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ノ\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。
[Detailed description of the invention] [Technical field to which /i Akira belongs] This invention is a method for attaching a pressure sensor to the /\end of an intelligent robot, the manipulator of an automatic assembly machine, or the sole of the foot of a mobile robot. The present invention relates to a pressure recognition control device that recognizes sensations corresponding to human sensations such as touch, pressure, slippage, and hardness, and controls robot hands, manipulators, or feet based on this recognition.

[従来技術とその問題点コ 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。
[Prior art and its problems] The force applied to the hands or feet of a robot, etc. that performs work in place of a human being is three-dimensional and has a certain distribution. The magnitude, direction, and distribution of this applied force on the pressure-receiving surface change as the hand (manipulator) or foot moves. Humans have a sense for this force, that is, not only a sense of pressure, but also a sense of touch, a sense of slippage, a sense of hardness, etc. Therefore, in order to control a machine's hands or legs as highly as humans, it is necessary for the machine to have these senses that humans have. Among these, the most basic sense required is three-dimensional pressure sensation and recognition of its distribution state.

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か発表されている
。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枚数のストレンゲージ3
とからなるが、ノ\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ざ(例えば各挫の長さが100
〜200mm 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、もっばら手首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。その結呆、
これらの従来のセンサでは触覚、滑り覚、硬さ覚の検出
は行い得す、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1.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ばな感覚情報が得ら
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。
Here, three-dimensional pressure sensation is the feeling of force in three directions in total, including not only the force perpendicular to the pressure-receiving surface but also the force in two directions on the pressure-receiving surface, and the moment in three directions associated with the movement of the hand or foot. It is desirable to have a sense of Sensors shown in FIGS. 1 to 3 have been announced as having a sense of detecting component forces in three directions. These conventional sensors include an elastic support 1 such as an elastic ring body, a cross-shaped leaf spring, or an elastic block, and a number of strain gauges 3 attached in each direction of the support.
It consists of, but is equivalent to the object grasped by node,
or a larger size (e.g. each stroke length is 100
~200 mm), so it is not used as a pressure-receiving surface of the hand or foot, but is mostly attached to the wrist 5 or ankle, and is used to detect the overall force acting on the hand or foot. It's just that. The end of that,
These conventional sensors cannot detect tactile sensations, slip sensations, and hardness sensations; if such sensory information is required, it is necessary to separately provide a special sensor for that purpose on the pressure-receiving surface. However, since those special sensors are also quite large, 1. Due to differences in pressure-receiving space and sensory position, it was possible to obtain only rough sensory information in an area corresponding to the palm of the hand, and it was not possible to obtain subtle sensory information in the area corresponding to the fingers.

また、前述したように面状に分布した圧覚の認識ができ
ることか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化する時には、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
JAMでの認識が必要であり、その認識により受圧面績
、力の作用中心、およびその時m1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、抵抗値か変化すること
を利用している。
Furthermore, as mentioned above, one of the characteristics of human senses is the ability to recognize pressure sensations distributed in a planar manner. The pressure-receiving surface of a robot or the like has a certain size, and when the object to be grasped is not flat or the hand or foot moves in a certain way, the force acting on the pressure-receiving surface is not uniform. Therefore, it is necessary to recognize the pressure sensation in the form of a distributed JAM, and through this recognition, it is possible to have a sense of the pressure-receiving surface, the center of action of the force, and the change in m1 at that time. Sensors shown in FIGS. 4 to 6 have been published as sensors that have a sense that allows the distribution of applied force to be recognized. First, Figure 4 (A)
The sensor shown in FIG. 1 uses a silicone rubber cord 15 made of conductive rubber and a metal electrode 17, and utilizes the fact that the contact area of the rubber cord changes due to pressurizing force, and the resistance value changes.

第411(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)18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。
The sensor shown in No. 411(B) has silicone rubber cords 15 and metal electrodes 17 arranged in a grid pattern, and detects by applying a scanning method used in ITV (industrial television) and the like. Furthermore, the sensor shown in FIG. 5 uses a differential coil (not shown) or a Hall element (not shown) to detect the vertical movement of the tips of many thin rods (pins) 18 that slide vertically in response to the shape of the object being tested. By detecting this, the shape of a three-dimensional part (three-dimensional part) is recognized.

第6図(A)〜(D)に示すものはロホット用カやニセ
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8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8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8の相互間にはスポンジコムな
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、七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かできる。第8図
(B’)では弾性シートとじ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8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。
The devices shown in FIGS. 6(A) to 6(D) use conductive rubber, etc., which can be applied as a rotary force or a sensor. The example shown in FIG. 8(A) is a combination of a conductive rubber sheet 7 and a metal electrode 8, in which insulating electrode supports 9a are distributed on the substrate 8 and metal electrodes are attached to the tops of each. ing. Elastic materials such as sponge combs are distributed between the electrode supports 8, and a flexible conductive rubber sheet is adhered or placed on top of the elastic materials. As can be easily seen, the elastic material is compressed downward in the figure at the location where the load F is applied, and the conductive rubber sheet 7
By detecting electrical contact between the electrode 8 and the electrode 8, the position where the load F is applied or its distribution can be known. In FIG. 8(B'), a large number of electrodes 8 are arranged under a conductive or pressure-sensitive rubber sheet 7 formed of an elastic sheet and are distributed dotted on the surface of a substrate 8. , load F
By detecting the electrode 8 that is in electrical contact with the conductive rubber sheet 7 at the location where the load is applied, the location where the load is applied or its distribution is detected.

第6図(C)の例では、絶縁性ゴムシー)?aの下面に
導電性ゴム7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7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かできる。第6図(D)
はへリリウム銅などからなる金属の極薄板ないしは箔8
aをTg極に用いた例で、このjQ8a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
8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88と覆い8Cとの複合体は撓んで電極箔8
&が基体側の電極面9Cと電気接触するから、基体8に
沿って多数の電極箔8コを配設しておけば、荷重分布を
知ることかできる。
In the example of FIG. 6(C), insulating rubber sheath)? Conductive rubber 7 is embedded in rows on the lower surface of a, and electrode strips 8 are attached in rows on the upper surface of an insulating substrate 9 opposite to this. Since the conductive rubber 7 and the electrode strips 8 come into electrical contact at the intersection points of the matrix subjected to the load F, the load distribution can be determined from the position distribution of the contact points. Figure 6 (D)
Very thin metal plate or foil made of helium copper etc.8
In the example where a is used as the Tg pole, the elasticity of this jQ8a itself or the elasticity of its insulating cover 8C is utilized. The base 9 to which this composite is attached is made of metal, for example, and a portion 9C of its peripheral surface serves as an electrode surface, and the metal foil electrode 8a and the base 8 are insulated by an insulating plate 8d. When subjected to a load F, the composite of the electrode 88 and the cover 8C bends and the electrode foil 8
Since & is in electrical contact with the electrode surface 9C on the base body side, if a large number of electrode foils 8 are arranged along the base body 8, the load distribution can be known.

しかしながら、これらの従来のセンサは、いずれもセン
サの受圧面に重直な方向の感覚のみしか有していない。
However, all of these conventional sensors only have sense in a direction perpendicular to the pressure receiving surface of the sensor.

また更に、結霜に分布状7jと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
界か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」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、従米のセンサ装置
では、人間の感覚に近い圧覚認識制御は得られなかった
Furthermore, in order to detect frost distribution 7j, it is necessary to make each module of the sensor small, but due to structural limitations, it is not possible to make it sufficiently small, and the detection mechanism of the mainly used conductive goose Because of this, there is non-linearity of the detection output with respect to the applied force and a narrow dynamic range, so it is only used as a tactile sensor for detecting contact or pressure-receiving area, and is a pressure sensor that can replace humans. It was insufficient. Therefore, with the conventional sensor device, it was not possible to obtain pressure recognition control similar to the human sense.

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。
The performance required of the load distribution detector targeted by the present invention is as follows.

(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
け高冗度で集積化されたものであること。
(a) The load detection unit must be small, with dimensions of several millimeters or less, and the units must be integrated in one distributed load detector with as much redundancy as possible.

(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。
(b) The component forces of the load can be well separated and detected without mutual interference.

(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。
(C) The relationship between load and detection output is linear, there is no hysteresis error in measurement, and the dynamic range, that is, the measurement range is wide.

(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か変わってしまうようなことがな
いこと。
(d) The load distribution detector itself has high rigidity and will not deform when subjected to a load and will not change the load distribution.

[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、3方向分力を検知し得る微
小な圧覚センサモジュールをアレイ状に高奮度で配列し
た圧覚センサアレイを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9:の分布状態ヲ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。
[Object of the Invention] In view of the above-mentioned requirements and the above-mentioned problems of the prior art, the present invention provides an array of minute pressure sensor modules capable of detecting force in three directions with high activation speed. By attaching an array of pressure sensors to a pressure-receiving surface such as a robot's hand or the sole of a foot, it is possible to directly detect three-dimensional pressure sensation and the state of distribution of that pressure. By processing the signal group using a predetermined algorithm, we can obtain not only the force components in the three directions, but also the moment of the force components in the three directions, the center of action of the force, the total force of action, etc., as well as the sense of contact, slippage, and hardness. An algorithm that enables advanced control of the functions of the robot's hands and legs by simultaneously recognizing these sensory information at high speed. is used to grasp the object with the minimum gripping force that does not deform the object, and to lift the object without impact.
It is an object of the present invention to provide a pressure recognition control device that can perform advanced motion control equivalent to the motions of human hands and feet, such as inserting or rotating an object to be grasped into a mounting hole.

[発明の要点コ この発明は、受圧面に印加された力の3方向分力を個別
に検出し得るように構成された半導体歪計の原理による
圧覚センサセルを微小に作成し、このセルを多数個面ア
レイ状に配列した圧覚センサアレイをロボットあるいは
マニピュ、レータのハンドあるいはロボットの足の裏等
の受圧面に装着させ、その圧覚センサアレイの基板上あ
るいはその近傍に圧覚センサアレイの出力を行および列
毎に順次取り出すスキャナーを設け、圧覚センサ内ある
いは圧覚センサセルあ取付穴部分あるいはセル直下の基
板部分にスキャナーからの信号によって開閉動作するセ
ル毎のアナロクスイッチと、必要によっては半導体歪計
の特性補正回路と、増幅器とを設けて、他の圧覚センサ
セルの出力とを混同しないようにし、適切な時間間隔で
採取した検出信号を歪計の特性の補正や力の単位への変
換の後に、各分力毎に2次元に分布した圧覚情報の形で
整理し、鈴系列に信号処理記憶装置に記憶し、次に信号
処理記憶装置から読み出した圧覚データにより3分力の
合成、全圧力、圧力中心、圧力分布図、受圧面積および
モーメント等を算出して1次演算記憶装置に記憶し、更
にロボットの手や足の制御に必要な接触覚、滑り覚およ
び被接触物の形状、硬さ覚等を認識する演算を行い、必
要な演算結果を2次演算記憶装置に記憶し、信号処理記
憶装置と1次および2次演算記憶装置に記憶したデータ
と、ロボットの基本動作用のアルゴリズムとによって所
定の演算を行い、必要な演算結果を3次演算記憶装置に
記憶すると共に池算で得られた信号を外部のロボット駆
動制御装置に送信し、また外部のロボット駆動制御装置
Gからの圧覚認識を行うに必要な指令も受信できるよう
にしたものである。
[Key Points of the Invention] This invention creates a minute pressure sensor cell based on the principle of a semiconductor strain meter configured to be able to individually detect three-direction components of force applied to a pressure-receiving surface, and a large number of these cells. A pressure sensor array arranged in a single-sided array is attached to a pressure-receiving surface such as the hand of a robot, manipulator, or robot foot, and the output of the pressure sensor array is output on or near the substrate of the pressure sensor array. A scanner is installed to sequentially take out each row, and an analog switch for each cell that opens and closes depending on the signal from the scanner is installed in the pressure sensor, the mounting hole of the pressure sensor cell, or the board directly below the cell, and if necessary, the characteristics of a semiconductor strain meter. A correction circuit and an amplifier are provided to prevent confusion with the output of other pressure sensor cells, and the detection signals collected at appropriate time intervals are corrected for the characteristics of the strain meter and converted into force units, and then Organize pressure information distributed two-dimensionally for each component of force, store it in a signal processing storage device in a bell series, and then combine the three components of force using the pressure data read out from the signal processing storage device, total pressure, pressure The center, pressure distribution map, pressure-receiving area, moment, etc. are calculated and stored in the primary arithmetic storage device, and the contact sense, sliding sense, and shape and hardness sense of the object to be touched are necessary for controlling the robot's hands and feet. etc., the necessary calculation results are stored in the secondary calculation storage device, and the data stored in the signal processing storage device, the primary and secondary calculation storage devices, and the algorithm for the basic movement of the robot are used. A predetermined calculation is performed, the necessary calculation result is stored in the tertiary calculation storage device, and the signal obtained by calculation is sent to the external robot drive control device, and the pressure sense recognition from the external robot drive control device G is performed. It is designed so that it can also receive the commands necessary to carry out the operations.

[発明の実施例] 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。[Embodiments of the invention] Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第7図はこの発明の実施例の要部を示す。ここで、20
は圧電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。
FIG. 7 shows the main part of an embodiment of the invention. Here, 20
2 shows the entire piezoelectric sensor array, and 21 is a pressure sensor module as a unit micro module constituting the pressure sensor array 20. The pressure sensor module 21 consists of an upper pressure receiving plate 23 that receives applied force and one or two (or three) pressure sensor cells 25 fixed under the pressure receiving plate.

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シ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Fz、Fx、Fy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28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1;センサアレイ20を形成する。その際、圧9:セ
ンサセル25の下端部を基板28」二に形成した平行溝
31またはそのセル毎に開けた取付穴(不図示)lこ垂
直に嵌め合せて固着すると、確実な組込みか得られるの
で好ましい。圧覚センサモジュール21力1らの出力信
号は、基板28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111自次スキャン
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)lこよるタル環を容易にし
ている。
The pressure sensor cell 25 has a ring-shaped pressure sensitive structure made of single crystal silicon, and has a plurality of diffusion shapes on the pressure receiving surface of the pressure structure, that is, the surface perpendicular to the surface in contact with the pressure receiving plate 23. A strain gauge 27 is formed, and three components Fz, Fx, and Fy of the force applied to the pressure receiving surface are detected by changes in the resistance values of these strain gauges. A large number of the above-described pressure sensor modules 21 are arranged and fixed at high density in a planar array (matrix) on the lower common substrate 28,
Pressure 1: sensor array 20 is formed. At this time, if the lower end of the sensor cell 25 is vertically fitted and fixed in the parallel groove 31 formed in the substrate 28'' or in the mounting hole (not shown) drilled for each cell, reliable assembly can be achieved. This is preferable because it allows The output signals of the pressure sensor module 21 force 1, etc. are autonomously scanned 111 by a scanner amplifier (integrated circuit) 33 mounted on or in the vicinity of the substrate 28, and are amplified by the CPU (central processing unit) of the microcomputer, which will be described later. Processing section) This facilitates the formation of barrel rings.

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力回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Fz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Fxを検出する4個のストレン
ゲーシを−上述の平行な線と直角の中心線の左右両方向
に角度α0傾いた2つの線上の外縁近くに形成し、受圧
(floこ平行な力の他の成分FYを検出する4個のス
トレンゲージを上述の角度α0傾いた2つの線」二のリ
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α0は受圧面に垂直な力のみが印加されたと
きに、ひす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38.6°の近所に選定される。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Ez、E
xおよびEyを出力する。ここで、拡散形ストレンゲー
ジ271y 114515するストレンゲージ形成面は
圧覚センサセル25の片面だけではなく、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1.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か
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。
The diffusion type strain gauge 27 of the pressure sensor cell 25 is arranged at a location that is highly sensitive and is theoretically unaffected by the other two forces. For example, four strain gauges that detect the force component Fz perpendicular to the pressure-receiving surface are formed near the left and right outer and inner edges on the center line parallel to the pressure-receiving surface, and one component Fx of the force parallel to the pressure-receiving surface is detected. Four strain gauges are formed near the outer edges of two lines tilted at an angle α0 in both left and right directions of the center line perpendicular to the parallel lines mentioned above, and other components FY of the force parallel to the received pressure (flo) are detected. Four strain gauges are formed at positions on the material mechanical neutral axis near the center of the two rings tilted at the angle α0 mentioned above.The angle α0 is such that only the force perpendicular to the pressure-receiving surface is applied. Sometimes, the angle is selected at a position that does not cause distortion, for example, in the case of a circular ring, it is selected around 38.6 degrees.In addition, these strain gauge groups are connected by bridges for each force component, respectively. Electrical signals Ez, E according to force components
Output x and Ey. Here, the strain gauge forming surface for the diffusion type strain gauge 271y 114515 can be formed not only on one side of the pressure sensor cell 25 but also on both sides, and if the strain gauge is formed on both sides, the wiring density will be lower.
This has the advantage that crosses between wiring lines can be reduced. Furthermore 1. Although strain gauges can be formed on the outer and inner circumferences of the ring, it is obvious that manufacturing is easier if they are formed only on the flat surface.

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シ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mtn〜1mm直径)のものが得
られる。例えば、所定の厚さく例えば0.8+pm )
を有し、所定の伝導形(例えばN形)と比抵抗(例えば
1〜lOΩ・cm)を有し、かつ所定の結晶方位(例え
ば(ill)而)を有する単結晶シリコンウエノ\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AfL7.%着
などのプレーナ技術で形成した後、ワイヤーソーカ・ア
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2
1i1例えは1 cm2当り25〜100個程度の高密
度で基板28上に集積することかできる。
Moreover, the pressure sensor cell 25 is made of single crystal silicon,
Since the diffusion type strainer 27 is formed on the silicon, it can be easily manufactured using general conventional planar technology (integrated circuit manufacturing technology), and is extremely small (e.g., several mtn to 1 mm) with well-matched characteristics. diameter). For example, a predetermined thickness (for example, 0.8+pm)
A pressure sensor cell made of single-crystal silicon Ueno\, which has a predetermined conductivity type (e.g., N-type), a specific resistance (e.g., 1 to 10Ω·cm), and a predetermined crystal orientation (e.g., (ill)). Diffused strain gauge groups and metal wiring were fabricated in corresponding areas using maskless ion beam processing and AfL7. After forming using a planar technique such as % bonding, the pressure sensor cell can be precisely cut out using a wire soaker/atto method, laser processing, or machining such as etch cutting. Therefore, the pressure sensor module 2 as shown in FIG.
For example, 1i1 can be integrated on the substrate 28 at a high density of about 25 to 100 pieces per 1 cm2.

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を面アレイ状に高密度に多数並べて圧覚センサア
レイ20ヲ形成しているので、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の拡散形ストレンケージ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
上のヒシテリシスかなく、かつダイナミックレンジが大
きく、よた圧覚センサセル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。
As described above, the pressure sensor array 20 is formed by arranging a large number of pressure sensor cells 25 or pressure sensor modules 21 in a planar array at high density to independently detect the three components of the force applied to the pressure receiving surface. The applied force can be decomposed into force components in three directions, and the two-dimensional distribution of the force components in the three directions can be detected independently and with high density. Furthermore, at this time, the diffusion type strain cage 27 of the pressure sensor cell 25 is placed in a location where it is highly sensitive and is theoretically unaffected by the forces in the other two directions, so that the pressure applied to the pressure-receiving surface is The force can be well separated and detected without mutual interference, and since the excellent single-crystal silicon is used as the pressure-sensitive structure, the linearity between the applied pressure and the detected output is good, making it easy to measure. It has the advantage of not having the above hysteresis, has a wide dynamic range, and can be detected as a pair of tension and compression by combining the horizontal pressure sensor cells 25.

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表または自動組立
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。
In this way, the pressure sensor array 20, which has minimized cell dimensions and is highly integrated, is placed on a predetermined pressure-receiving surface, such as the surface of the palm, fingers, or foot of a robot's hand, or the tip of a manipulator of an automatic assembly machine. Attach it to the surface. Note that the shape of the pressure sensor cell 25 is not limited to that shown in FIG. 7, and various shapes are possible. For example, in the case of using a group of connected pressure sensor cells in the form of a strip in which a portion of the lower or upper part of each cell is integrally connected for each column, there is an advantage that assembly such as positioning and fixing becomes easy.

また、圧覚センサセル25内の半導体ストレンゲージ2
7の出力は基板28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
ンヶージを形成し、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28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。
Moreover, the semiconductor strain gauge 2 in the pressure sensor cell 25
7 is output to the outside through the wiring on the substrate 28, but since the number of wirings from the high-density pressure sensor array 20 is enormous, the wiring inside the pressure sensor cell 25 and the joint between the pressure sensor cell 25 and the substrate 29 are Each device has its own way of wiring and connections. For example, the strain gauges 27 may be distributed on both sides of the pressure sensor cell 25 for each detection force, or an epitaxial layer having an opposite conductivity type may be formed on the single crystal silicon substrate, and a strain gauge may be formed in the epitaxial layer. By forming a diffusion layer penetrating the epitaxial layer, the diffusion layer and the substrate section can be configured as part of the power supply wiring of the strain gauge 27, or alternatively, the substrate section 28 can be multilayered to connect the power supply line and the signal line between each layer. The power supply line is connected to the pressure sensor cell 25 from the groove 31.

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El、EYおよびEz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28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。ま給制御を行えば
電力消費が少なくなってなおよい。
FIG. 8 shows an entire embodiment of the invention. As shown in the figure, electrical signals El, EY, and Ez corresponding to the magnitude of three component forces output from the bridge circuit 21A at each point of the matrix-wired pressure sensor array 20 are sequentially applied to each row and column by a scanner 33A. Read out at high speed. At that time, an analog switch (not shown) that opens and closes in response to the row and column address signals (control voltages) of the scanner 33A is installed in the pressure sensor cell 25 or in the mounting hole of the pressure sensor cell or on the board 28 in the bridge circuit 21A of the pressure sensor module 21. By selectively operating those analog switches, other pressure sensor modules 21
Not to be confused with the output of If power supply control is performed, power consumption will be reduced, which is even better.

スキャナ33Aにより読み出された圧力4g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CPIJ (p−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められる。
The pressure number 4g read by the scanner 33A is amplified by the amplifier 33B, converted into a digital signal by the analog-digital (AD) converter 41, and then taken into the CPIJ (p-cpu) 43 of the microcomputer and stored in the ROM ( A predetermined calculation formula stored in the read-only memory 45 corrects the temperature characteristics of the strain gauge 27, non-linearity of sensitivity, variations in sensitivity for each cell 25, and interference of component forces in other directions. The converted pressure data is organized in the form of pressure sense data distributed two-dimensionally for each force component and stored in the signal processing storage device 47 in time series. The above-mentioned temperature compensation is determined by calculation using a detection signal of a temperature sensor such as a thermistor provided near the pressure sensor cell 25.

次いで信号処理記憶装置47から読み出した圧見データ
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、g、、cpu43により、3方同の分
力の分布(例えば圧力の等高線や分布マツプ)、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48に記憶する。
Next, using the pressure data read out from the signal processing storage device 47 and the basic calculation algorithm stored in advance in the ROM 45, the g. , composite total pressure (the sum of the pressures applied to all cells 25, which corresponds to the total acting force), center of pressure (the center of gravity point where the sum of the moments of force at that point is zero, and the center of force action) Hit), 3
Calculate the directional moment, pressure receiving area (calculated from the total number of non-zero pressure sense data and the arrangement pitch of the cells 25), etc.
These calculated basic data are stored in the primary calculation storage device 48 in chronological order.

さらに、上述の信号処理記憶装置47と1次演算記憶装
置48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、p・c
pu 43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。滑り寛は圧覚データを記憶装置47および48
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R
OM45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めら
れ、材質判定や硬さ覚が得られる。
Furthermore, using the data stored in the signal processing storage device 47 and the primary calculation storage device 48 and the basic calculation algorithm stored in advance in the ROM 45, p.c.
The PU 43 calculates the sense of contact, the sense of sliding, the shape of the object to be touched, the sense of hardness, etc. necessary for controlling the limbs of the robot, and the necessary calculation results are stored in the secondary calculation storage device 51. The sense of touch (tactile sensation) is determined based on a signal that exceeds a certain predetermined threshold. The slider stores pressure data in storage devices 47 and 48.
Since the information is stored in time series, slippage due to insufficient gripping force is calculated based on temporal changes in the pressure distribution on the pressure-receiving surface, and R
The gripping control calculation algorithm (grasping algorithm) stored in the OM 45 allows soft handling control to be performed on the hand drive mechanism 53 to prevent slipping. Further, recognition of the shape of the object to be touched can be obtained by calculation based on temporal changes in pressure distribution and a typical shape recognition algorithm. Furthermore, by appropriately selecting the material distribution of the pressure-receiving plate 23, the elasticity of the object can be determined by calculation, and the material quality and hardness can be determined.

一方、インタフェース57を介して上位コンピュータ5
8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48および51とに記憶されたデータと、RO
M 47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、ルφ
cpu 43により、高速にロボットの円滑な走行、把
握、持ち上げ、*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。
On the other hand, the host computer 5 via the interface 57
The data stored in the signal processing storage device 47, the primary and secondary calculation storage devices 48 and 51, and the RO
Using the robot's basic motion algorithm (work calculation algorithm) stored in advance in M47,
The CPU 43 allows the robot to control basic motions such as smooth running, grasping, lifting, inserting, rotating, etc. at high speed (
or control position), and sends the calculation results to the host computer 59 as an external robot control device via the interface 57, and also sends the necessary calculation results to the
The next calculation is stored in the storage device 55. Upper computer 59
Then, the hand drive mechanism 53 is smoothly driven based on the calculated control amount or control position data.

このように、上位コンピュータ58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58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58からインタフェース57を介して4 争cpu 
43に送信される。。また、p、 * cpu 43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5θ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47.4θ、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。
In this way, supervisory control and autonomous control are performed at high speed, with high response, and with high precision based on the control commands from the host computer 58, and the gripping force is maintained at a minimum level to the extent that the object to be gripped (for example, a fruit) is not deformed. To have a robot hand, etc. perform advanced soft handling operations comparable to those of a human hand, such as gripping with a hand, lifting and releasing a gripped object without impact, inserting the gripped object into a mounting hole, and rotating it. I can do it. In addition, feedback signals containing information such as grasping, lifting, releasing, inserting, turning, etc. are output from the hand drive mechanism 53 to the host computer 58, but pressure recognition cannot be performed based on these feedback signals. The command signals necessary for
43. . Moreover, the load on the external host computer 5θ is significantly reduced by the various calculation operations described above by the p,* CPU 43, speeding up control operations, and facilitating smooth control. Note that each of the storage devices 47.4θ, 51, and 55 used for arithmetic control may be provided independently, but it is also possible to overlap and share them.

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、A[
lコンバータ41.ル・cpu 43、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白等に収納できるように
する。
Furthermore, although scanner 33A and amplifier 33B are typically provided on or near sensor array 20, A[
l converter 41. The microprocessor 61, such as the CPU 43 and the interface 57, is an LSI of several chips.
(Large-scale integrated circuit), and can be installed near the hand drive mechanism 53 or stored in the armpit of the hand.

次に、この発明の装置で用いる上述した主な演算アルゴ
ルズムの内容について説明する。
Next, the contents of the above-mentioned main calculation algorithm used in the apparatus of the present invention will be explained.

■ 3方向モーメント 第9図に示すように、物体7I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。
■ Three-direction moment As shown in FIG. 9, the total output X, Y of the three component forces of the pressure sensor arrays 20 and 20 on both sides of the object 7I.

ZとX’ 、Y’ 、Z’および両圧覚センサアレイ間
の距離文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。
Z, X', Y', Z', the distance z between both pressure sensor arrays, and the Y direction output Y when both pressure sensor arrays 20 and 20 are placed in the same plane position.

(Y)とその両アレイ間の距fIIEi xとにより、
次式を用いて3方向の各モーメン) Mx、My、Mz
をめることができる。
(Y) and the distance fIIEi x between both arrays,
Each moment in three directions using the following formula) Mx, My, Mz
can be used.

Mx= (Y、Y’ (7)差)XMzMY= (X、
X’ の差)X文2 Mz= (Y、(Y)の差)×文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。
Mx= (Y, Y' (7) difference)XMzMY= (X,
Difference in X')X Sentence 2 Mz= (Difference in Y, (Y))
This is a mechanical value that is essential for tasks such as grasping unevenly loaded objects and screwing in objects.

■ 滑り賞 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2oの各モジュール21の力の分
布が時間to 、 to十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1
L〜j御を高速に行うことができる。
■ Sliding Award As shown in Fig. 10, when slipping occurs due to lack of grasping force, etc., the distribution of force on each module 21 of the sensor array 2o changes with time to, to +Δt, etc., so the time series Slippage can be determined by calculating the change. Therefore, regardless of the algorithm for grasping and lifting objects by soft handling, which will be described later, slip prevention 1
L to j can be controlled at high speed.

■ 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(pg + 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(
PO+ 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(Pa→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toは初期時、 1..
12は増加した時間を示す。
(2) Shape Recognition As shown in FIG. 11(A), when the object 71 is flat, the pressure distribution 73 on the pressure receiving surface does not change as the gripping force ΣP increases (pg + P2). However, as shown in FIG. 11(B), when the object 71 has a cylindrical surface, the gripping force ΣP increases (
PO+P2), the pressure distribution 73 on the pressure receiving surface changes only in one direction. Moreover, as shown in FIG. 11(C),
When the object 71 is spherical, the gripping force ΣP increases (Pa→P2
), the pressure distribution 73 on the pressure receiving surface changes in all directions. Therefore, the shape can be recognized by the difference in the temporal change of the pressure receiving surface. In addition, to in the figure is the initial time, 1. ..
12 indicates increased time.

■ 弾性または材料の判定 @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C,、C2とする)を置き、各センサの受け
る加重をh 、P2 とすると把握される物体71のコ
ンプライアンスC8はP2− p。
■ Determination of elasticity or material @12 As shown in Figure 12, different elastic pads 75 (each compliance is C, C2) are placed on the upper pressure receiving plate 23 of the pressure sensor array 20, and the load received by each sensor is h. , P2, the compliance C8 of the object 71 to be grasped is P2-p.

の式で算出される。It is calculated using the formula.

ただし、 バネ常数 力 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クのアルゴリスムのデータに使用
すれば、物の選別やソフトハンドリングが可能となる。
However, this is a relationship between spring constant and force, and if this compliance c0 is used as data for an algorithm for object sorting or soft hand linking, object sorting and soft handling become possible.

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
選別か可能でない場合もあるが、補助データとしてその
選別に使用可能となる。
In this way, by determining the elasticity of the object being grasped and indirectly estimating the material, it is possible to control the minimum grasping force to avoid deformation or damage of the object being held, that is, soft handling. Although it may not always be possible to select a suitable selection, it can be used as auxiliary data for the selection.

■ 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2oでの分力Fx、Fyの
合成力の形でめられる。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Fzの形でめられる。すなわち、物体7
1とハンド77の間で滑りがないためには、Q≦pR=
 gFz(g摩擦係数)を満足しなければならない。今
、ハンド77で物体71を掴んだ後にΔδだけハンドを
持ち上げたとする。ハンドに滑りのない場合には、Qは
 Δδ ΔQ=− の割合で増加する。(ここでCは物体および床面の総合
コンプライアンスである)。この場合ソフトハンドリン
グをするためにはQの増加に対して ΔQ ΔR≧□ ンなるようにハンドの把握力を増加する必要がある。一
方、前項■で述べた方法で滑りが検出されると、(この
式に関らず)Rを増して滑りを生じないpを新しく規定
する。牌をかえてRをふやす(Qは既知)。Q=Wにな
ると物体71は床面78より離れ、ハンドによって把握
されることになる。それ以後はδの増加に対してQおよ
びRの増加はない。
(2) Grasping and Lifting an Object As shown in FIG. 13(A), the force Q to lift the object 71 is determined in the form of a composite force of the component forces Fx and Fy at each sensor array 2o. After the object is lifted up, Q=W
becomes. Furthermore, as shown in FIGS. 13(B) and (C), the grasping force R is expressed in the form of Fz. That is, object 7
In order to prevent slippage between 1 and hand 77, Q≦pR=
gFz (g friction coefficient) must be satisfied. Now, suppose that after grasping the object 71 with the hand 77, the hand is lifted by Δδ. When there is no slippage in the hand, Q increases at a rate of Δδ ΔQ=−. (Here C is the total compliance of the object and floor surface). In this case, in order to perform soft handling, it is necessary to increase the grasping force of the hand so that ΔQ ΔR≧□ increases with respect to the increase in Q. On the other hand, if slippage is detected using the method described in the previous section (2), R is increased (regardless of this equation) and a new value p that does not cause slippage is defined. Change tiles to increase R (Q is known). When Q=W, the object 71 moves away from the floor 78 and is grasped by the hand. Thereafter, there is no increase in Q and R for an increase in δ.

これらの関係をフローチャートで示したのか第14図で
ある。
FIG. 14 shows these relationships in a flowchart.

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。
In addition, soft handling when placing or releasing an object is possible by performing the reverse operation of the above case, and the object can be released without impact. At this time, soft handling can be made easier by detecting the proximity of the object 71 using another proximity sensor to reduce Δδ or by increasing the compliance of the hand.

■ 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LMを発生する。このモーメントH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)MがOになるように挿入物7
1を移動させる演算操作を行う。
■ Insert the object 71 into the insertion hole 81. In addition, fitting together is the basis of assembly work. FIG. 15(A) shows the basic form of this operation. FIGS. 15(B) and 15(C) each show cases where the insertion is incomplete, and a certain moment LM is generated against the insertion force P. By determining the magnitude and direction of this moment H, insert the insert 7 so that the ideal normal insertion shown in FIG. 15(A), that is, the moment M becomes O.
Perform an arithmetic operation to move 1.

■ 歩行制御センサとしての適用 18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。
■ Application as a walking control sensor Up to Section 18, we have described the case where the sensor device according to the present invention is applied to a robot hand, but as shown in Fig. 16, this sensor can also be used for walking control as a sensory sensor for the robot's legs. Applicable.

(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。
(a) Detects the movement of the body's center of gravity while walking and raises the leg at the optimal time.

重心の移動□足の面圧分布から重心位置の時系列演算 足・の上げ下げ一第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 足の血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。
Movement of the center of gravity □ Time-series calculation of the center of gravity position from the surface pressure distribution of the feet Raising and lowering the feet - Calculation basically similar to lifting the object shown in Figures 13 and 14 (b) Feet for forward walking It detects the blood pressure and the feeling of slipping when kicking, and applies a kicking force (forward force) commensurate with that.

ただし、図のFzは面圧、Fxは蹴る力を示す。However, in the figure, Fz indicates surface pressure and Fx indicates kicking force.

[発明の効果] 以上説明したように、この発明によれば、3方向の分力
の2次元分布を検出できる圧覚センサアレイを備え、そ
のセンサ出力を順次取り出して必要な信号処理を行った
後に記憶し、その記憶したデータを所定のアルゴリズム
を用いて圧力に関する各種の基本量に変換して記憶し、
これらの各記憶データを用いてロボット等の制御対象の
制御に必要な各種制御基本信号に変換し、この基本信号
を外部のロボット等の制御装置に送出するようにしたの
で、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
つ高粘度の動作制御を容易に行うことかできる効果が得
られる。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, a pressure sensor array capable of detecting a two-dimensional distribution of component forces in three directions is provided, and after sequentially extracting the sensor output and performing necessary signal processing, The stored data is converted into various basic quantities related to pressure using a predetermined algorithm and stored.
These stored data are used to convert into various basic control signals necessary for controlling a controlled object such as a robot, and these basic signals are sent to an external control device such as a robot. It is possible to recognize sensations corresponding to pressure sensation, sliding sensation, hardness sensation, etc., and to control the hands of intelligent robots, manipulators of automatic assembly machines, legs of mobile robots, etc. smoothly and safely based on this recognition. In particular, it is possible to easily perform sophisticated and high-viscosity operation control such as soft handling.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図、第2図、第3図(A)、(B) 、第4図(A
)。 (B)、第5図、および第8図(A) 、 CB) 、
 (、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
8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。 l・・・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、 8・・・基板。 8a・・・電極支え、 8c・・・電極面、 15・・・シリコンゴムコード、 27・・・金属電極、 18・・・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・・・アナログーデジタルコンノヘータ、43・・
・マイクロコンピュータ 中央演算処理装醤(ル・cpu )、 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、 58・・・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、 78・・・床面、 81・・・穴。 特許出願人 株式会社 富士電機総合研究所第2図 1 3 第3図 第4図 (A) (B) 第5図 第10図 センナ位り 第11図 (A) 1 ΣP=も ΣP=Fi ΣP = P2t=to t=
tぴt、 j”t□+j2ΣP=Po ΣP=P、 Σ
P:P2 区・ ゛ 区 3 綜 綜
Figure 1, Figure 2, Figure 3 (A), (B), Figure 4 (A
). (B), Figure 5, and Figure 8 (A), CB),
(, C) and (D) are respectively perspective views showing conventional sensors, and FIG. 7 is a perspective view showing main parts of an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing the entire embodiment of the present invention, and FIGS. 8 to 16 are explanatory diagrams showing the contents of various algorithms used in the present invention, respectively. 1... Elastic support body, 3... Strain gauge, 5... Wrist, 7... Conductive rubber sheet, 7a... Insulating rubber sheet, 8... Metal electrode, 8a... Metal foil electrode, 8c... Insulating cover, 8d... Insulating plate, 8... Substrate. 8a... Electrode support, 8c... Electrode surface, 15... Silicon rubber cord, 27... Metal electrode, 18... Thin rod, 20... Pressure sensor array, 21... Pressure sensor Module, 21A... Pressure sensor module bridge circuit, 23... Pressure receiving plate, 25... Pressure sensor cell, 27... Diffused strain gauge, 29... Substrate, 33... Scanner amplifier, 33A ...Scanner, 33B...Amplifier, 41...Analog-digital converter, 43...
・Microcomputer central processing unit (CPU), 45...ROM (read only memory), 47...
Signal processing storage device, 49... Primary calculation storage device, 51... Secondary calculation storage device, 53... Hand drive mechanism, 55... Tertiary calculation storage device, 57... Interface, 58 ... Upper computer, 71 ... Object to be grasped, 73 ... Pressure distribution, 75 ... Pad, 77 ... Hand, 78 ... Floor surface, 81 ... Hole. Patent applicant Fuji Electric Research Institute Co., Ltd. Figure 2 1 3 Figure 3 Figure 4 (A) (B) Figure 5 Figure 10 Senna position Figure 11 (A) 1 ΣP=Mo ΣP=Fi ΣP = P2t=to t=
tpit, j”t□+j2ΣP=Po ΣP=P, Σ
P: P2 ward・゛ ward 3 綜綜

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)駆動制御対象に装着して受圧面に印加された力の3
方向分力の2次元分布を検出する圧覚検出手段、 該圧覚検出手段から検出信号を順次取り出し所定の信号
処理を施して圧力単位の圧覚検出データに変換し、変換
した該圧覚検出データを前記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所定の圧覚認識
に必要な圧力の基本量データを演算し、演算した該基本
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、所定の圧覚認識演算アルゴリズムとにより所定
の圧9:認識データを演算し、演算した該圧覚認識デー
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の制御手段からの
指示データに応じて、iffff状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(
JIl量演算演算アルゴリズムより前記駆動制御対象の
駆動制御に必要な制御量データを演算し、演算した該制
御量データを前記外部の制御手段に出力する3次演算手
段、 該3次演算手段と前記外部の制御手段間のデータの交イ
aを行うデータ交信手段、および全体の処理動作を円滑
に行うように制御する内部制御手段とを具備したことを
特徴とする圧覚認識制御波Δ。 2、特許請求の範囲第1項記載の装置において、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、前記制御策データは把持、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゛
す:認識制御装置。 3)特許請求の範囲第1項記載または第2項記載の装置
において、前記圧覚検出手段は、前記受圧面に印加され
た力を該受圧面に垂直な方向の分力Fzと、前記受圧面
内の2つの直交する主軸方向の分力FXとFyとの合計
3つの主軸方向分力に分解して検出する圧覚センサモジ
ュールを、多数個基板上に高密度に行列方間に並べてア
レイ状に配設した圧覚センサアレイであることを特徴と
する圧覚認識制御装置。 4)特許請求の範囲第1項から第3項のいずれかの項に
記載の装置において、前記信号処理記憶手段は、前記圧
覚検出手段から3分力の大きさに相当する電気信号を行
および列毎に順次取り出して増幅し、アナログデジタル
変換し、温度補償、センサの感度の非直線性補償、他方
向分力からの干渉の補正を行い、補正後の信号を前記圧
覚検出データに変換して時系列に記憶することを特徴と
する圧覚認識制御装置。 5)特許請求の範囲第1項から第4項のいずれかの項に
記載の装置において、前記1次演算記憶手段は前記信号
処理記憶手段に格納された前記圧覚検出データにより合
成全圧力、圧力中心、圧力分布図、受圧面積、3方向モ
ーメントをでσ出して、時系列に記憶することを特徴と
する圧覚認識制御装置。 (以 下 余 白 )
[Claims] 1) 3 of the force applied to the pressure-receiving surface attached to the drive control target
Pressure detection means for detecting a two-dimensional distribution of directional force; a detection signal is sequentially extracted from the pressure detection means and subjected to predetermined signal processing to be converted into pressure detection data in units of pressure; A signal processing storage means for storing each directional force corresponding to the pressure receiving surface; a basic amount of pressure necessary for predetermined pressure recognition based on the pressure detection data read from the signal processing storage means and a predetermined basic calculation algorithm; primary calculation storage means for calculating data and storing the calculated basic quantity data; the basic quantity data read from the primary calculation storage means; the pressure sense detection data read from the signal processing storage means; A secondary calculation storage means for calculating predetermined pressure 9: recognition data using a pressure recognition calculation algorithm and storing the calculated pressure recognition data; and a secondary calculation storage means for storing the calculated pressure recognition data; Accordingly, the pressure sensation recognition data read from the iffff-like calculation storage means, the basic quantity data read from the primary calculation storage means, the pressure sense detection data read from the signal processing storage means, and the predetermined control (
tertiary calculation means for calculating control amount data necessary for drive control of the drive control target using a JIl amount calculation calculation algorithm, and outputting the calculated control amount data to the external control means; the tertiary calculation means and the A pressure recognition control wave Δ characterized by comprising a data communication means for exchanging data between external control means, and an internal control means for controlling the entire processing operation to be performed smoothly. 2. In the device according to claim 1, the drive control target is a robot's limbs or a manipulator of an automatic assembly machine, and the basic quantity data is a composite total pressure of three-directional force components, a pressure center, and a pressure distribution. The pressure recognition data is data regarding contact sense, sliding sense, hardness sense, shape recognition, and material recognition, and the control measure data is data regarding gripping, lifting, insertion, and rotation. Pressure recognition control device, characterized in that the instruction data is data related to grasping, lifting, inserting, turning, releasing, and walking. 3) In the device according to claim 1 or 2, the pressure sensing means converts the force applied to the pressure-receiving surface into a component force Fz in a direction perpendicular to the pressure-receiving surface and a component force Fz in a direction perpendicular to the pressure-receiving surface. A large number of pressure sensor modules are arranged in rows and columns at high density on a substrate to form an array. A pressure-sensing recognition control device characterized by being a pressure-sensing sensor array. 4) In the device according to any one of claims 1 to 3, the signal processing storage means generates and outputs an electric signal corresponding to the magnitude of three component forces from the pressure sensing means. Each column is sequentially extracted and amplified, analog-to-digital conversion is performed, temperature compensation, sensor sensitivity non-linearity compensation, and interference from component forces in other directions are compensated for, and the corrected signals are converted into the pressure sensing data. A pressure recognition control device characterized by storing information in chronological order. 5) In the device according to any one of claims 1 to 4, the primary calculation storage means calculates a composite total pressure, a pressure A pressure sense recognition control device characterized in that a center, a pressure distribution diagram, a pressure receiving area, and a three-direction moment are calculated by σ and stored in time series. (Margin below)
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