JPS62206423A - 分布型触覚センサの触覚検出方法及びその回路 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一定の領域に分布して作用する押圧力を検出
することによる触覚検出方法及びその検出回路に関わり
、更に詳細には、感圧導電ゴムをセンサ素子した触覚セ
ンサの検出精度を向上させた触覚検出方法及びその検出
回路に関するものである。

〔従来技術〕

ロボット等に物体をハンドリングさせる際には、その対
象物である物体を壊さないように把持したり、又、落さ
ないように把持したりする必要から、物体との接触面に
は触覚に相当するセンサを設けることが行われている。

従来、このセンサ用の素子には半導体、セラミックス、
有機材料、光ファイバー等が知られているが、これらを
用いた測定システムは、柔軟性に問題があったり、コン
パクトとすることが困難であったり、分布する各部の分
解能力が不足したり、経済性が得られなかったりして十
分に満足できるものが得られていない現状にある。

そこで本発明者らは、前記のセンサ用素子として通常は
絶縁体であるが、力が加わり変形するとその変形量に応
じて電気抵抗値が変化するゴム（以下感圧導電ゴムと言
う）を用い、物を掴んだ時に掌の各部に掛る力のように
分布した力を同時に測定できる分布型触覚センサを発明
し、特願昭６０−２１９２４５号として特許出願した。

この触覚センサ１は、第８図に示すように薄いシート状
とした感圧導電ゴム２の表裏面にｎ本の電極線Ｌｉ及び
ｍ本の電極線ｒ−ｊを、互いに交叉するように配置し、
前記シートを介して交叉する位置に加わる力を検出する
ことにより人間の掌と同様の触覚をロボット等の把持面
の触覚センサとするものである。

このように前記の出願発明は、柔軟な感圧導電ゴムの薄
層と電極線とを組み合せることにより、前記測定点毎に
センサを配置する等の必要をなくし、人間の掌に近い機
能のセンサとすることを可能としたもので、ハンドリン
グ対象物の強度、重量、形状等ハンドリング対象、目的
に応じた把持力を発揮できるようにしたものであり、 このセンサの触覚測定方法は、前記図の測定点を（ｉｊ
）点とすると、電極線ＬｉとＬｊとの間の抵抗を測定す
ると両電極が最も近付いた部分の抵抗Ｒ１ｊを測定する
こととなるので、表裏各１本づつ電極線をスキャニング
することによりｎｘｍ個の交叉点に掛る力を検出するこ
とができるものである。

ところで、前記ハンドリング内容が、複雑な形状の場合
には、以上の検出手段では十分な検出力を発揮できない
ことが確認された。以下、これを第８図の電極線Ｌｈ、
Ｌｉ及びＬｊ、Ｌｋを抜き出して示した部分図であり第
９図及びそれを立体図とした第１０図によって説明する
。

いま、図のｐ＋　＋　　ｐ２．Ｉ）３点が物体に触れて
それぞれの力が加わっており、ｑ点は物体に触れていな
いとし、ｑ点の抵抗値を測定する場合について説明する
。

このときは電極線の交叉点間の抵抗をそれぞれＲｉｋ、
　　Ｒｈｋ、　　Ｒｈｊ、　　Ｒ”　（ゴムの抵抗が絶
縁体の抵抗であることを表す）で表すと、電極線ａとｄ
の間に電圧Ｅを加えると、電流Ｉは、Ｒ■を流れる電流
ｉｉ　　（＃Ｏ）と順次Ｒｉｋ、　Ｒｈｋ。

Ｒｈｊを流れる電流■２との和となる。したがって、本
来絶縁体としての抵抗が検出されるべきであるのに、別
の電極線を通じてできる回り込み回路が形成されるため
に、合成抵抗値が検出され、図のｑ点に力が掛っている
と言う誤った判断をする結果となる。同様に他の各ｐ点
の測定結果についても正確な抵抗値を検出することはで
きない。したがって、従来のセンサは、各測定点の間隔
が十分大きい場合か、より緩い条件の触覚センサとして
は十分に機能しても、より分解能が高く性能のよい触覚
センサを得るにはなお改善が必要である。

〔発明の目的〕

本発明は、以上の問題点に鑑みて成されたものであって
、感圧導電ゴムシート上の測定点をより近付けて、より
細密な触覚機能を持った触覚検出手段を提供することを
目的としている。

〔発明の構成〕

以上の目的を達成するための本発明の分布型触覚センサ
の触覚検出方法の構成は、押圧力に対応して抵抗の変化
する感圧導電ゴムシートの表裏面に、相対する電極線が
互いに交叉する如く電極線群を配置し、前記の各交叉点
を測定点とし、これに対応する２本の電極線以外の電極
線をアースし、前記２本の電極の一方を電圧印加用電極
、他を電圧測定用電極とし、これを交互に行うことによ
って得られる電流と２つの電圧との測定値から前記測定
点の抵抗を算出することを特徴とするものである。

本発明に使用する感圧導電ゴムシートは、公知の感圧導
電ゴムを任意の厚みのシートとじたものであり、例えば
０．５ｍｍ程度の厚さのシートにしたものを必要に応じ
て複数枚重ねて使用することもできる。第１１図に厚さ
０．５　ｍｍのシートを重ね合せた場合について感圧導
電ゴムの通常の押圧力と抵抗値との関係の一例を示す。

図の感圧導電ゴムシートの抵抗値は、人の指の出す力と
ほぼ同じ力の範囲のセンサを得るのに都合のよい特性を
持つことが分る。

本発明に使用する電極線を前記感圧導電ゴムに配設する
手段は、特に限定されないが、有効な手段としては、例
えばポリエチレンテレフタレートのような柔軟で高い強
度の絶縁性の合成樹脂フィルムにプリント配線をし、電
極線上の測定点となる前記交叉する位置をカーボンブラ
ック、グラファイト等でコーティングして導電性を保ち
ながら電極線の酸化を防止したフィルムを、前記感圧導
電ゴムシートの表裏面からサンドインチ状に挾持させる
等の方法で配設することができる。前記電極線を外部回
路と接続するには導電性接着剤等によりリード線と電気
的に接続すればよい。

更に、以上に述べた本発明の検出方法を実施するための
分布型触覚センサの触覚検出回路の構成は、押圧力に対
応して抵抗の変化する感圧導電ゴムシートの表裏面に、
相対する電極線が互いに交叉する如く電極線群を配設し
、前記の各電極線には電源用のアナログスイッチとアー
ス用のアナログスイッチと電圧測定用リード線とを接続
して設け、前記の交叉位置における感圧導電ゴムの抵抗
値を検出するように前記スイッチを操作する論理回路を
備えたことを特徴とするものである。

本発明に使用する前記アナログスイッチとしては、トラ
ンジスタ等のスイッチング素子を適宜使用することがで
きる。したがって本発明の前記論理回路は、測定点を構
成する２本の電極線を交互に電源と電圧測定とに接続し
、他の電極線をアースするようにスイッチ操作を行い、
この操作を総ての交叉点に就いて順次行うように構成さ
れるものであり、例えばワンチップマイクロコンピュー
タ等により制御するように構成とすることができる。

本発明の触覚検出方法及びその装置は、検出精度がよい
ので前記ロボットハンドの外、形状識別、スベリ検出な
ど広い分野に応用できる。

〔実施例〕

以下図面と対照させて、一実施例により本発明を具体的
に説明する。

第１図は、本実施例の分布型触覚センサの触覚検出回路
の概要を説明するための図である。

図において、感圧導電ゴムから成る触覚センサ１は、互
いに交叉する電極線Ｌｉ及びＬｊがそれぞれ８本づつで
測定点が８×８マトリクスを構成するものであり、図を
見易くするために互いに感圧導電ゴム２を介して交叉す
る電極線Ｌｉ　　（ｉ−１〜８）及びＬｊ　　（ｊ＝１
〜８）の２本のみ画かれている。スイッチ回路部３及び
４にはそれぞれ８組のアナログスイッチ（各１組のみ図
示されている）回路５１及び６ｊが配設されており、こ
の各スイッチ回路５１及び６ｊにはそれぞれ電源Ｅが与
えられ、又、Ａ／Ｄ変換器７に電圧の検出信号を与える
それぞれの電圧検出線８１及び９ｊが分岐されている。

前記各スイッチ回路５１及び６ｊを制御する論理回路１
０は、制御装置１１によって制御される。

又、前記Ａ／Ｄ変換器７でディジタル信号に変換された
検出信号は前記制御装置１１に与えられ必要とする演算
を行うように構成されている。

本実施例の前記スイッチ回路５１及び６ｊは第２図のス
ケルトン図に示すとおり、トランジスタＡは電極線りと
電源子Ｅとの間に介設された電源用アナログスイッチで
あり、トランジスタＢは電圧検出線８又は９とトランジ
スタＡとの間に介設され、電極線りをアースするための
アナログスイッチである。

そして、論理回路１０により制御される前記スイッチ回
路５１及び６ｊの動作は、第１表に示す状態表のとおり
、各電極線り毎に、３つのモードを実現するように制御
され、トランジスタＡ及びＢが共にオンとなる状態は禁
止される。

第１表 次に以上の構成としたときの測定点（ｔｊ）の抵抗値Ｒ
ｉｊを検出する手順について第３図〜第５図に基づき説
明する。第３図は、電極線Ｌｉ及びＬｊ以外の電極線の
スイッチ回路５及び６の総てを第１表のグランドモード
とした場合の等価回路を示したものである。なお、前記
測定点（ｉｊ）の抵抗Ｒｉｊは本来図の交点に垂直に記
載すべきであるが便宜のため図のように記載した。抵抗
Ｒｉ及びＲｊは、それぞれの電極線Ｌｉ及びＬｊと前記
のアースされた電極線りによって生じる接地抵抗である
。

いま、電極線Ｌｉを前記第１表の電圧印加モードとし、
電極線Ｌｊを電圧測定モードとすると、第４図の等価回
路が得られ、又前記モードを逆転すると第５図の等価回
路が得られる。各図のＩｆ及びＩｊは、それぞれマトリ
クス回路に供給される電流であり、Ｖｉは電極線Ｌｉに
よる検出電圧であり、Ｖｊは電極線Ｌｊによる検出電圧
である。以下にこれらの各変数からＲｌｊを求める式を
誘導する。

第４図から回路に供給される電流１ｉは、（１）　　Ｉ
　ｉ　＝Ｅ／　（Ｒ４ｊ＋Ｒｊ　）　＋Ｅ／Ｒｉまた検
出電圧ｖｊは、 ｆ２）　　Ｖ　ｊ　＝Ｅ−Ｒｊ／　（Ｒｉｊ十Ｒｊ）か
ら （３１１／Ｒｊ−（Ｅ−Ｖ　ｊ）　／Ｖ　ｊ−Ｒｉｊが
得られる。更に第５図から同様にして、（４１１／Ｒｉ
　＝　（Ｅ−Ｖ　ｉ）　／Ｖ　ｉ　−Ｒｉｊが得られる
。次に（２）式を（１）式に代入すると、１　ｉ　＝Ｖ
　ｊ／Ｒｊ　十Ｅ／Ｒｉ が得られ、これに（３）式、（４）式を代入して整理す
ると測定点（ｉｊ）の抵抗Ｒｉｊは、 （５１Ｒｉｊ＝　１　／　Ｉ　ｉ　　・　（Ｅ２／■ｉ
−Ｖｊ）となる。同様にＩｊに着目して以上と同じ手順
を繰り返すことにより、 （５１’　　Ｒｊｉ＝　１／　Ｉｊ　　・　（Ｅ２／Ｖ
ｊＶｉ）但し、Ｒｉｊ＝Ｒｊｉである。以上のように電
流Ｉｉ又はＩｊ１電圧Ｅ、Ｖｉ及びＶｊを検出し、（５
）式または（５）式から回り込み抵抗Ｒｉ及びＲｊの影
響を受けずに正確に測定点（ｉｊ）の抵抗値、即ちその
点に作用している押圧力を検出することができる。

本実施例の触覚検出回路をワンチップマイクロコンピュ
ータから成る制御装置１１により前記マトリクスセンサ
１の各測定点の抵抗値を測定する手順の概要を第６図に
よって説明する。

第６図の制御装置１１は同時にロボットハンド１５を制
御するように構成されているものであり、ＣＰＵ、ＲＯ
Ｍ、　ＲＡＭによって構成される中央処理装置１６、入
出力装置１７、前記Ａ／Ｄ変換器７、前記ロボットハン
ド１５を制御するための出力用Ｄ／Ａ変換器１８等によ
って構成されており、ロボットハンド１５の制御をマト
リクスセンサ１からフィードバックして目的の制御を行
うものである。図中、既に説明した部材等は同じ番号を
付して説明を省略した。

制御手順としては、電極線Ｌ＋及びＬｊの交叉点の抵抗
Ｒ１ｊを測定するために各スイッチ回路３ｉ（ｉ＝１〜
８）及び４ｊ　　（ｊ＝１〜８）を順次グランドモード
から電圧印加モード又は電圧測定モードに変更し、且つ
各測定毎に前記２つのモードを入替えることによりｌ１
ｊＸＶｉ及びＶｊを測定し、その各検出信号を順次制御
装置１１に与え、前記式（５）又は（５）式からＲｉｊ
を演算しその結果をロボットハンド１５を制御するプロ
グラムに与えてロボットハンド１５に制御信号を出力す
る。

本発明によれば、感圧導電ゴムによる分布型触覚センサ
は、前記のとおり回り込み回路の影響を除いて抵抗値Ｒ
１ｊを正確に測定できるので、複雑な触覚分布に使用で
きる触覚センサ１とすることができる。第７図にこのよ
うな触覚センサの一つのモデルを例示する。図は、直線
的な触覚面に平行して直線的に電極線Ｌｉを配設し、こ
れに直交して電極線Ｌｊを配設する構成とすることによ
り各種の触覚センサを得ることができる。又、指先のよ
うに、触覚を鋭くする必要のある所に測定点となる前記
交叉点を集中するように電極線に疎密を与える等の各種
のレイアウトとすることができる。

〔発明の効果〕

本発明は、上述したように分布型触覚センサの測定点に
対応する２本の電極線を、それぞれ交互に電源供給電極
と電圧測定電極として電圧を測定して回り込み回路の影
響を排除する構成とし、又、各電極線に電圧印加、電圧
測定及びアースするためのスイッチ回路を、２つのアナ
ログスイッチと電圧測定線を前記電極線に設けて前記測
定手段を実現する回路構成としたために、測定点の押圧
力を正確に検出することが可能となり、より細かく、且
つ精密な分布型触覚センサを実現することができるとい
う効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例の触覚検出回路の説明図、第２図は第
１図のスイッチ回路のスケルトン図、第３図〜第５図は
抵抗値Ｒｉｊを算出根拠を説明するための等価回路図、
第６図は前記実施例による制御系のブロック図、第７図
は触覚センサの変形例による説明図、第８図は従来の触
覚センサの構成説明図、第９図はその部分図、第１０図
は回り込み回路を説明するための斜視図、第１１図は感
圧導電ゴムの抵抗値と押圧力との関係の一例を示すグラ
フ図である。 １・・・触覚センサ、２・・・感圧導電ゴム、３．４・
・・スイッチ回路部、５ｉ、５ｊ・・・各電極線のスイ
ッチ回路、８ｉ、８ｊ・・・電圧測定線。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）押圧力に対応して抵抗の変化する感圧導電ゴムシ
   ートの表裏面に、相対する電極線が互いに交叉する如く
   電極線群を配設し、前記の各交叉点を測定点とし、これ
   に対応する２本の電極線以外の電極線をアースし、前記
   ２本の電極の一方を電圧印加用電極、他を電圧測定用電
   極とし、これを交互に行うことによって得られる電流と
   ２つの電圧との測定値から前記測定点の抵抗を算出する
   ことを特徴とする分布型触覚センサの触覚検出方法。
2. （２）押圧力に対応して抵抗の変化する感圧導電ゴムシ
   ートの表裏面に、相対する電極線が互いに交叉する如く
   電極線群を配設し、前記の各電極線には電源用のアナロ
   グスイッチとアース用のアナログスイッチと電圧測定用
   リード線とを接続して設け、前記の交叉位置における感
   圧導電ゴムの抵抗値を検出するように前記スイッチを操
   作する論理回路を備えたことを特徴とする分布型触覚セ
   ンサの触覚検出回路。