JPS6394376A - 触覚センサの画像システム - 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感圧
導電ゴムによって検出する分布型触覚センサとパーソナ
ルコンピュータとを組合せて触覚を画像で表示する画像
処理システムに関するものである。

〔従来技術〕

ロボット等で物体をハンドリングしたり、触覚により形
状を認識するためにロボットハンドと物体との接触面に
は触覚を検知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、光ファイバー等が用いられており、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、分布する各力の分
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い
う）を用い、物に接触したとき毎ンサの各部に加わる力
を測定する分布型触覚センサを発明し、特願昭６０−２
１９２４５号として特許出願した。

この触覚センサは、薄いシート状とした感圧導電ゴムの
測定点に接続した電極を各極性毎に電極線で直線状に配
置し、それぞれの損性の電極に配した電極線が互いに直
交するように配置して、前記測定点に加わる力を導電ゴ
ムの抵抗値の変化として検出することにより人間の指や
掌と同様の触覚をロボット等の触覚面又は把持面に持た
せるようにしたものである。

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、人間の触覚によっ
て形状を認識し、これを画像処理装置と組合せることに
より触覚検知状況をモニタテレビ等に直接画像として画
き出すことが可能であり、既にその試みが行われている
。

しかしながら、従来のものは、触覚検出用の多数の電極
間相互の回り込み電流による干渉を防ぐために独立電極
を縦横に並べ、その一つ一つにフィールドエフェクトト
ランジスター（ＦＥＴ）と抵抗とを接続して高速スイッ
チング動作をさせるために、ＦＥＴ及び抵抗が電極の数
だけ必要になり、特に対象物の形状を解像度を上げて認
識するためには多数の電極、例えば、４０９６個（６４
Ｘ６４）の電極を使用する必要があり高価となる等なお
改善の必要が認められる。

前記欠点を改善するために問題となる前記回り込み電流
について以下に示す第１１図及び第１２図によって説明
する。なお、第１２図は触覚センサ部分の等価回路図で
あり、図の各抵抗Ｒは感圧導電ゴム内の最短距離を電流
が流れることによる等価抵抗を表している。

図は説明を簡略化するために前記電極線を受圧側Ｘ１．
Ｘ２、裏側Ｙ１．Ｙ２とし、その交点となる測定点Ｐ＋
＋　、　　ＰＩ２．　　ＰＩ　、　Ｑとする。

いま、記号Ｐの各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、そのＱ点の
抵抗値を測定する場合によって説明する。

このときは電極線の交叉点間の抵抗をそれぞれＲｈ　＋
　　ＰＩ２１　　Ｒ２１，Ｒ２２＝”　（ｏｏは：Ｉ’
ム（７）抵抗が絶縁体の抵抗値であることを示す）で表
す。

いま、第１２図に示すように電極線Ｘ２とＹ２との間に
電圧Ｅを加えると、電流は、Ｒには流れないが、抵抗Ｒ
２１−Ｒｒｔ　−Ｒ１２の回り込み回路を通じて回り込
み電流１　　（＝Ｅ／　（Ｒよ〕＋ＲＩ＋　＋　Ｒｈ２
）　）が流れ、Ｑ点に力が掛っているという誤った判断
をする結果となる。

実際の触覚センサは、例えば８×８のように多数の測定
点を持つのでこの回り込み電流による影響のために正確
な抵抗値を検出することはできないという問題がある。

したがって、測定点の少ない触覚センサによる画像処理
システムには十分に機能しても、より多い測定点をもつ
形状認識用の触覚センサを得るにはなお改善の必要があ
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
、感圧導電ゴムを使用し、低コスト且つ確実に回り込み
電流をカットできる触覚センサを用い、解像度が高く、
しかもパーソナルコンピュータを用いることにより簡便
に取り扱うことのできる高速画像処理システムを提供す
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触覚センサ画像シ
ステムの構成は、押圧力に対応して抵抗が変化する感圧
導電ゴムシートに作用する複数の押圧力測定点をマトリ
クス配置とし、該測定点のそれぞれに対を成す電極を配
置し、前記ゴムシートを介して前記対の電極間に流れる
電流を整流する整流素子を電極毎に設け、前記複数の電
極の各極性毎に、線状に配列する前記電極が一つの群を
なす如く複数の群に分割し、各群内の前記電極を電極線
により並列接続すると共に、極性毎の前記群の分割方向
が前記各測定点で互いに交叉す如くした触覚画像センサ
と、前記の各電極線をそれぞれスキャンしたときに当該
電極線が検知する信号を画像処理するパーソナルコンピ
ュータと、前記画像処理結果から各測定点の押圧力を図
形表示する表示手段とを設けたことを特徴とするもので
ある。

部ち、本発明に使用する触覚センサの各電極に取付ける
整流素子は次の作用をする。即ち、前記説明によって理
解されるように回り込み電流回路には、必ず感圧導電ゴ
ム内を流れる電流の方向が正規の電流方向と逆の方向に
流れる部分が生じるが、前記整流素子は、この逆方向に
流れる電流を遮断することにより回り込み電流をカット
するように作用する。

本発明に使用する前記対を成す電極は、感圧導電ゴムシ
ートの片方の面に所定の距離に接近させて配置してもよ
く、又前記シートの表裏にそれぞれ対峙させて配置して
もよい。

本発明に使用する前記の整流素子は、通常各種の電子装
置に使用される市販のダイオードを用いることができる
が、ダイオードを平板状とし、その表裏に電極を配置し
た形状として感圧導電ゴムシートに取り付ける電極と一
体構造とした専用の素子とすることによりセンサをより
合理的な形状とすることができる。

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したものであり、例えば
０．５　ｍｍ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。このように溝
底した感圧導電ゴムの押圧力と抵抗値との関（系を人の
指、掌の出す力とほぼ同じ力の範囲とすることができる
ので、このような感圧導電ゴムを用いて触覚画像センサ
を得ると、人の指ないし掌と同様の触覚特性の触覚画像
センサを得ることができる。

本発明に使用する電極は、ゴム表面に貴金属箔、アルミ
箔、表面を防錆処理した金属箔等を貼り付ける手段、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し表面をカーボ
ンブラック、グラファイト等でコーティングしたものを
感圧導電ゴムに重ねる手段等によって取付けることがで
きる。

本発明に使用する触覚画像センサの電極は、感圧導電ゴ
ムシートの一方の面に所定の間隔を開けて測定点に対の
電極を配置してもよ（、又、前記ゴムシートの表裏に対
峙して対の電極を配置してもよい。

本発明の触覚センサの測定点は通常は基盤目、千鳥等規
則的配置とするが、これに限定されず対象となる物体の
形状、測定目的に応じた所定の曲面に所定の任意配置と
することができる。

したがって、前記の電極線の交叉角も直交とは限らず任
意の角度とすることができる。

本発明に使用する触覚センサは回り込み電流の影響が無
いので、これから出力されるデータの処理が容易となり
通常使用される画像化装置、画像入力装置、パーソナル
コンピュータ、表示装置を使用して高速画像処理を行わ
せることができる。

本発明の触覚システムは、工程管理、研究等の目的で触
覚画像センサに接触する物体の形状を種々の表示方法に
よって可視的に表示させたり、ロボットハンドに取付け
て、手探りによるように触覚によって置かれている物体
の形状、設置形状等を検出する等各種の目的に役立てる
ことができる。

〔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。

く画像処理システム〉 次に第１図によって本実施例の触覚センサ画像システム
の構成を説明する。以下に詳細を説明する本発明に係わ
る分布型触覚画像センサｌの各測定点毎の押圧力（触覚
）検出信号は画像化装置２に与えられここで画像化処理
された信号となり、画像入力装置３を通じてパーソナル
コンビーユータ（以下パソコンという）４に与えられ、
ここで所定の演算処理されてビデオモニタ５によって触
覚画像センサ１が感知した物体の触覚内容を映像として
表示することができる。前記ビデオモニタ５はモノクロ
ーム（白黒）ブラウン管とＲＧＢ３原色カラーブラウン
管との２つのモニタを使用している。

本実施例に使用した、前記画像入力装置３の入力画面は
時間と共に変化する形状の擬似カラースルー機能、６４
レベル濃淡階調表示機能、静止画像として４画面表示機
能を持ち、又、パソコン４はＮＥＣ−ＰＣ９８０３，３
８４ＫＢ　、主なメニューとして画像フリーズ、擬似カ
ラー、画像処理、拡大／縮小、画面間演算、ヒストグラ
ム処理、画像セーブ／ロードの各処理のできるソフトウ
ェアを装備したものを使用した。

第２図によって使用状態を示す。即ち、触覚画像センサ
１に掌を押し当てると、前記プロセスで各測定点の押圧
力（触覚）が検出・処理（図には前記２〜４の各装置を
一括して画像処理装置６として記載しである）されてビ
デオモニタ５の画面に掌が図形として表示される。この
表示の方法は、例えば、リアルタイム画像又は静止画像
として、明暗、輪郭、掌の各部の当る強さに応じた明る
さないし色調、等高線図形、測定点図上に押圧強さのヒ
ストグラムで表示等任意に選択することができる。

く触覚センサ〉 次に、前記触覚画像センサ１の詳細を第３図〜第９図に
よって説明する。なお、以下の各図は、第１１図、第１
２図と同様の部材等には同じ記号を使用し説明を省略し
た。

第３図は触覚画像センサ１の概要を示す一部破断した斜
視図であり、感圧導電ゴム７の表側には、皮膚に相当す
る触覚面８が重ね合されている。この触覚面８は、表面
に対象物に密着するように軟質発泡体シートと布とをラ
ミネートしたシートから成り、その下に導電性フィルム
９が積層されている。前記感圧導電ゴム７の下側にある
印刷配線基鈑１０の表面には、４０９６１固（６４Ｘ６
４）個の対の電極１１が基盤目状に配置され、各列毎に
それぞれ一本の電極線Ｘと図示されていない電極線Ｙに
接続されている。なお本実施例の電極線はプリント配線
されたものを使用した。

第４図およびそのＡ−Ａ線断による第５図は、第３図の
詳細を示す図であり、正方形状の櫛形電極を使用い、感
圧導電ゴムの一方の面にだけ電極を配置したものである
。なお第４図は印刷配線基鈑１０を省略して記載した。

図において、電極１１１及び１１２、電極Ｘ及びＹは、
それぞれ図示されていない印刷配線基鈑１０にプリント
配線されており、電極部分は金メッキしたものであり、
電極１１１と１１２とは、それぞれ横目状の形状をして
互いに所定のギャップｇを開けて割符を合せるように配
置されており、電極１１２は電極線Ｘの一部を切り欠い
て形成されている。

電’ｒ’ｆｓ　１１　ｌは、印刷配線基鈑１０の反対側
の面にプリントされた電極線Ｙと本発明の前記整流素子
を構成するダイオード１２を介して接続されるものであ
り、その接続は、第５図に示すように同基版１０に開け
たスルーホールｈを通じて短絡するタップｔと電極線Ｙ
との間を平板状の市販ダイオード１２のピン１３とそれ
ぞれハンダ１３′で結合することにより接続する。

第５図の電極線Ｙは紙面に対し直角に配置されている。

なお、第５図のｂは、例えばポリウレタン製のバックア
ップ用シートであり、触覚センサ１の裏面にダイオード
１２等でできた凹凸を平坦にするものである。

第３図〜第５図に示した触覚画像センサ１は、裏面が平
坦となるので図示されていないロボットハンドに取り付
けることが容易である。

第６図に示す等価回路によって前記触覚画像センサ１の
作用について説明する。ダイオード１２は、第６図と第
１２図との比較から理解されるように、Ｒ１１を流れる
回り込み電流は、ダイオード１２によって遮断されるの
で回り込み回路が構成されないように作用する。

以上の説明で理解されるように、本実施例に使用する触
覚画像センサ１のそれぞれ６４本の電極線Ｘ、Ｙの各１
本には、それぞれ６４個の電極１１２とよび１１＋が並
列に接続されている。このように構成することにより、
従来４０９６個必要であった高速スイッチング素子を１
２８個に減らすことが可能となり、コスト低下とセンサ
周辺回路構成を簡略化することが可能となり、パソコン
を使用して画像処理を可能とすることが可能となった。

第７図は、別の触覚センサの例である。この例では導電
性フィルム９に代えて印刷配線基鈑９′を使用し、その
裏面には電極線Ｘがプリント配線されている。なお、点
線によって示したのは、前記感圧導電ゴムシート７に面
した側に印刷されていることを示している。電極線Ｘの
電極となる部分には、カーボンブラック、グラファイト
等を用いた導電性塗料のコーティングした電極１１２を
設は表面を耐蝕性仕上げとしている。

又、印刷配線基鈑１０には市販ダイオード１２が電極１
１ｓと電極線Ｙとの間に介装されたものである。第８図
は、前記ダイオード１２と電極１１＋との配線を分り易
くするために断面図によって示した説明図である。実際
は電極１１１と電極線Ｙとは同じ印刷配線基鈑１０の表
裏にプリントされていることは第７図に示すとおりであ
る。

第９図は第７図の変形例であり、印刷配線基鈑１０部分
の部分図である０図において、印刷配線基鈑１０には表
面に電極１１１を設けた平板状のダイオード１２が前記
電極線Ｙに導電性接着材で取付けているものである。

なお、この場合、電極線Ｙの表面を絶縁して直接感圧導
電ゴム７に接触しないようにする必要がある。その手段
としては絶縁塗料を塗布したり、ダイオード１２の厚み
を利用して、電極１１１の部分に窓を開けた絶縁シート
を重ね合せる等の手段によって実現できる。

次に第１０図によって画像処理装置６について説明する
。

図において、触覚画像センサ１は画像化装置２によって
電極線Ｘ及びＹのそれぞれをスキャンし、順次測定点の
電極に電圧を印加されるものであり、その制御はそれぞ
れ電極線Ｘ（垂直）側同期発生回路１５と電極線Ｙ（水
平）側同期発生回路１６とからのパルス信号が出力され
、それぞれタイミングコントローラ１７．１８でタイミ
ングを調整したパルス信号が、カウンタ１９．２０、デ
コーダ２１．２２、を通じてマルチプレクサ２３及び２
４に与えられ、電極線Ｘ及びＹをスキャニングし順次測
定点に抵抗検出用の電圧が印加される。このときの電流
は、マルチプレクサ２３から触覚信号分離回路２５に与
えられ、ここで触覚（押圧力）に対応する信号が選別さ
れ、帰線信号保持回路２６、選別回路２７を経て、シン
クロナイズミキサ２８で前記触覚信号を画像表示装置と
同期させビデオアンプ２９で増幅したのち、この信号を
画像入力装置３に与え、予め入力装置３１から入力され
たコマンドに応じ、前記メニューから選択された演算処
理をパソコン４が行い表示装置５に表示される。

以上に説明した本実施例の画像システムの応用分野とし
て、最近子供達に増えているといわれる偏平足の研究や
、快適な椅子の研究、寝た切り老人の床ずれの研究等医
学や人間工学の研究分野に大いに役立つことが考えられ
、又、教育分野でも例えば、触診、指圧等の指導・教育
に従来の手探りで教えていたものから、画像や数値に置
き代えることを可能にすることが考えられる。

以上説明した実施例の触覚画像センサ１は高速スイッチ
ング素子の使用を大幅に減少させることができるので、
測定点の多い触覚画像センサをパソコンで高速画像処理
することが可能となり、コストを著しく低下させること
ができ、従来大型コンピュータとの組合せにより１子方
円以上のコストを要したものを大幅なコストダウンした
普及型システムとすることが可能となった。

又、パソコンを使用しているために高速性を犠牲にすれ
ば、プログラムの変更が可能であり、柔軟性の高い画像
処理システム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に使用する
感圧導電ゴムの測定点に流れる電流を整流する素子を設
ける構成としたので、測定に関係のない検出線を通じて
流れる回り込み電流を無くすことができるので、（１）
　　比較的単純なスキャン回路を用いても回り込み電流
による干渉がなく、（２）検出信号を補正する演算処理
を必要としないので高速で触覚を検出することができ、
（３）例えば、論理回路やマルチプレクサ等の周辺処理
回路が比較的簡単になるので、従来大型コンピュータに
よっていた画像処理をパーソナルコンピュータで高速処
理できるようになり、刻々と変る対象物の形状や、多数
の物品について次々と形状を図形化してもΔ別すること
が可能となり、装置を移動型として必要とする現場に容
易に持ち込むことが可能となり、プログラムの変更もよ
り容易とし、装置のコストが飛曜的に低下することが可
能となるという種々効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例による触覚センサ画像システムの構成
を示すブロック図、第２図は第１図のシステムの作用を
示す説明図、第３図は第１図の画像システムに使用した
触覚画像センサの要部を一部破断して示した斜視図、第
４図は第３図の部分拡大図、第５図は第４図のＡ−Ａ線
部分断面図、第６図は第４図の触覚画像センサの立体等
価回路図、第７図は別の触覚画像センサの分解説明図、
第８図は第７図の断面による説明図、第９図は第７図の
変形例を示す要部斜視図、第１０図は第１図に示す実施
例の画像システムの制御系のブロック図、第１１図は触
覚センサの電極線配置の説明図、第１２図は回り込み回
路を説明するための斜視図である。 ｌ・・・触覚画像センサ、２・・・画像化装置、３・・
・画像入力装置、４・・・パーソナルコンビエータ、５
・・・ビデオモニタ、７・・・感圧導電ゴム、１１゜１
１＋　、１１２・・・電極、１２・・・ダイオード、Ｘ
。 Ｙ・・・電極線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 押圧力に対応して抵抗が変化する感圧導電ゴムシートに
   作用する複数の押圧力測定点をマトリクス配置とし、該
   測定点のそれぞれに対を成す電極を配置し、前記ゴムシ
   ートを介して前記対の電極間に流れる電流を整流する整
   流素子を電極毎に設け、前記複数の電極の各極性毎に、
   線状に配列する前記電極が一つの群をなす如く複数の群
   に分割し、各群内の前記電極を電極線により並列接続す
   ると共に、極性毎の前記群の分割方向が前記各測定点で
   互いに交叉す如くした触覚画像センサと、前記の各電極
   線をそれぞれスキャンしたときに当該電極線が検知する
   信号を画像処理するパーソナルコンピュータと、前記画
   像処理結果から各測定点の押圧力を図形表示する表示手
   段とを設けたことを特徴とする触覚センサの画像システ
   ム。