KR100954377B1

KR100954377B1 - 촉각 센서 및 촉각 센서 응용 장치

Info

Publication number: KR100954377B1
Application number: KR1020087003123A
Authority: KR
Inventors: 겐이치 모리모토
Original assignee: 유겐가이샤 이더블유 시스템
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2010-04-26
Also published as: KR20080031946A; US8300018B2; EP1942323A1; WO2007029305A1; US20080271933A1; EP1942323A4

Abstract

가압의 변화를 실시간으로 검출하고자 한다. 또한, 구성이 간단하고, 적은 배선으로 가압의 변화를 검출 가능하게 하고, 신뢰성의 향상과 비용의 저감을 도모할 수 있어 정확하게 정보를 입수할 수 있도록 한다.

시트면을 따른 X방향 및 Y방향으로 저항을 갖는 시트로서, 시트의 두께 방향과 일치하는 Z방향으로 저항을 가짐과 아울러 두께 방향의 가압에 대응하여 Z방향의 저항이 변화하는 감압 저항 시트(4)를 구비하고, 이 감압 저항 시트(4)의 주변부에 상기 X방향의 저항 또는 Y방향의 저항 중 적어도 하나에 전류를 흘리기 위한 전극부(9, 10, 11, 12)가 적어도 한 쌍 설치되고, 감압 저항 시트(4)의 표면에 상기 Z방향의 저항에 전류를 흘리기 위한 도전체(5, 6)가 적어도 한 쌍 설치되어 있다.

가압, 시트면, 감압 저항 시트, 도전체, 촉각 센서, 전극부

Description

촉각 센서 및 촉각 센서 응용 장치{TACTILE SENSOR AND TACTILE SENSOR APPLICATION APPARATUS}

본 발명은 압력 위치의 입력 정보 검출 및 제어에 관한 것으로서, 접촉 좌표, 접촉 압력 및 접촉 길이를 간단한 방법으로 검출하는 촉각 센서 및 그 촉각 센서를 사용한 촉각 센서 응용 장치에 관한 것이다.

종래의 압력 위치 검출 센서는 압력 분포를 검출하는 것이 대부분이며, X, Y 매트릭스 상에 배치된 센서 또는 전극을 주사하여 압력 분포를 검출하고, 압력의 위치를 산출하였다(예컨대 특허 문헌 1, 특허 문헌 2). 그러나, 압력이 가해진 모든 위치를 X, Y 주사하기 때문에 필요한 정보인 압력의 무게 중심 위치나 압력의 면적, 평균 압력을 산출하는 데 시간이 소요되었다. 예컨대, 분해능 1mm인 50×50mm의 센서를 100MHz로 주사하여도 한 소자당 25μsec 소요되게 된다. 더욱이, 이들 주사선(50×50)에 대한 배선(2500개)은 센서가 커지면 커질수록 배선이 방대해져 응용의 걸림돌이 되었다.

또한, 압력 센서와 XY 좌표 검출 수단을 조합하여 닮은 기능을 검출하는 것에 특허 문헌 3∼8이 제안된 바 있는데, 2장 이상의 기능 재료의 조합에 의해 압력 위치 정보를 검출하므로, 가압(押壓)의 위치 정보가 정확하게 검출되었을 때에는 그 위치에서의 압력 정보를 정확하게 검출할 수 없었다. 반대로 압력 정보가 정확하게 검출되었을 때에는 그 위치 정보가 부정확해져 압력과 압력의 무게 중심 좌표를 모두 동시에 정확하게 검출할 수 없는 결점이 있었다.

또한, 감압 도전성 고무나 압전 복합 재료와 저항체를 조합하여 압력 좌표를 구한 것도 제안된 바 있는데, 모두 정밀하지 않고, 또한 압력이나 접촉 면적을 구한 것이 아니기 때문에, 압력 위치 검출 센서나 촉각 센서로는 불충분하였다(예를 들면 특허 문헌 9∼11).

특허 문헌 1: 일본 특허 공개 평 10-178688호 공보

특허 문헌 2: 일본 특허 공고 평 7-58233호 공보

특허 문헌 3: 일본 특허 공개 소 59-178301호 공보

특허 문헌 4: 일본 특허 공고 소 60-35602호 공보

특허 문헌 5: 일본 특허 공고 소 61-32601호 공보

특허 문헌 6: 일본 특허 공고 소 60-37401호 공보

특허 문헌 7: 일본 특허 공개 소 61-208533호 공보

특허 문헌 8: 일본 특허 공개 평 05-61592호 공보

특허 문헌 9: 일본 특허 공개 소 59-110595호 공보

특허 문헌 10: 일본 특허 공개 소 60-71194호 공보

특허 문헌 11: 일본 특허 공개 소 61-47501호 공보

(발명이 해결하고자 하는 과제)

최근 휴머노이드형을 비롯하여 동물 형상을 한 수많은 로봇 장치가 제공되고 있는데, 그러한 로봇 장치에는 외부로부터의 접촉에 의한 자극 입력에 의해 실시간으로 동작하여야 하는 것이 다수 있다. 최근의 2족 보행 로봇의 보행시의 몸의 균형을 잡기 위하여 발바닥에 압력 센서를 부착하고, 미묘한 밸런스의 변화를 사전에 실시간으로 검출하고 제어하는 것이 행해지고 있다. 또한, 손가락의 촉각을 검출하기 위하여, 물건을 쥐었을 때의 압력 제어나 물건의 미끄럼 시의 압력 변동의 검출 등 실시간의 제어가 필요해졌다. 따라서, 다수의 압력 센서를 배치하여 병렬 처리로 동시에 센서 정보를 처리하는 등 행해지고 있는데, 다수의 압력 센서의 배선이 장치의 방해가 되었다.

또한, 간병용 의자나 베드 등 인체의 압력이 과도하게 치우쳐져 있으면 인체에 문제를 발생시킬 수 있는데, 간병을 필요로 하는 사람에게 있어서는 스스로 그 상황을 회피할 수 없는 경우가 있어, 욕창 등의 원인이 되고 있다. 또한, 안전성이 요구되는 자동차의 의자에 앉는 사람의 위치가 어긋나면, 사고시 에어백을 사람의 중심에 정확하게 개방하기가 어려워진다.

이들 용도에서는, 압력 분포를 정확히 알 수 없어도, 필요 최저한의 정보(압력의 무게 중심 위치, 압력 접촉 면적, 평균 압력량)를 실시간으로 검출할 수 있고, 적은 배선으로 압력 위치를 검출할 수 있는 촉각 센서나 압력 위치 검출 센서가 요구되고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여, 가압의 변화를 실시간으로 검출하고자 하는 것이다. 또한, 구성이 간단하고, 적은 배선으로 가압의 변화를 검출 가능하게 하며, 신뢰성의 향상과 비용의 저감을 도모할 수 있고, 정확하게 정보를 입수할 수 있도록 한 것이다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

이 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 시트면을 따른 X방향 및 Y방향으로 저항을 갖는 시트로서, 시트의 두께 방향과 일치하는 Z방향으로 저항을 가짐과 아울러 두께 방향의 가압에 대응하여 Z방향의 저항이 변화되는 감압 저항 시트를 구비하고, 이 감압 저항 시트의 주변부에, 상기 X방향의 저항 또는 Y방향의 저항 중 적어도 하나에 전류를 흘리기 위한 전극부가 적어도 한 쌍 설치되고, 감압 저항 시트의 표면에, 상기 Z방향의 저항에 전류를 흘리기 위한 도전체가 적어도 한 쌍 설치되어 있는 점에 있다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 수단은, 상기 전극부 및 도전체 중 어느 하나로부터 전류를 흘리고, 나머지 전극부 또는 도전체로부터 전류를 빼낼 때, 상기 적어도 한 쌍의 전극부의 전압과 상기 적어도 한 쌍의 도전체의 전압의 조합으로부터, 접촉압과, X방향의 접촉 위치 또는 Y방향의 접촉 위치 중 적어도 하나의 접촉 위치를 구하도록 한 점에 있다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 수단은, 상기 전극부 및 도전체 중 어느 하나로부터 전류를 흘리고, 나머지 전극부 또는 도전체로부터 전류를 빼낼 때, 상기 적어도 한 쌍의 전극부의 전압을 촉각 센서에 접촉하기 전과 촉각 센서에 접촉하였을 때의 전압차를 상기 구한 접촉압과 접촉 위치에 대응한 값으로 보정하여, X방향의 접촉 길이 또는 Y방향의 접촉 길이 중 적어도 하나의 접촉 길이를 구하도록 한 점에 있다.

또한, 다른 기술적 수단으로서, 상기 감압 저항 시트에 X방향으로 전류를 흘리기 위한 한 쌍의 제1 전극부와 Y방향으로 전류를 흘리기 위한 한 쌍의 제2 전극부가 구비되고, 감압 저항 시트의 네 코너부에 제1 전극과 제2 전극과 제3 전극과 제4 전극이 각각 설치되고, 상기 한 쌍의 제1 전극부 중 하나의 제1 전극부가 제1 전극과 제3 전극으로 구성되고, 나머지 하나의 제1 전극부가 제2 전극과 제4 전극으로 구성되고, 상기 한 쌍의 제2 전극부 중 하나의 제2 전극부가 제1 전극과 제2 전극으로 구성되고, 나머지 하나의 제2 전극부가 제3 전극과 제4 전극으로 구성되고, 상기 각 전극은 상기 감압 저항 시트에 소정의 압력 이상으로 압접되어 부착되어 있고, 감압 저항 시트의 표면에 상기 Z방향의 저항에 전류를 흘리기 위한 도전체가 스페이서에 의해 소정의 간격으로 유지되어 있도록 할 수도 있다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 수단은, 시트면을 따른 방향으로 저항을 갖는 시트로서, 시트의 두께 방향으로 저항을 가짐과 아울러 두께 방향의 가압에 대응하여 두께 방향의 저항이 변화되는 감압 저항 시트를 구비하고, 감압 저항 시트에의 접촉압, 접촉 위치, 접촉 길이 중 적어도 2개를 구하기 위하여, 감압 저항 시트에 전류를 흘리도록 하고, 상기 감압 저항 시트는 수 킬로옴 내지 수십 메가옴의 표면 저항을 가진 필름으로 구성되어 있는 점에 있다. 이 경우, 예컨대, 감압 저항 시트에 그 시트면을 따른 방향 및/또는 두께 방향으로 전류를 흘리도록 하면 된다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 수단은, 상기 감압 저항 시트(4)는 수 킬로옴 내지 수십 메가옴의 표면 저항을 가진 필름으로 구성되어 있는 점에 있다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 수단은, 촉각 센서가 장착된 피 제어 장치와, 상기 감압 저항 시트에 전위 구배를 발생시키는 전원과, 상기 전극부 및 상기 한 쌍의 도전체의 출력 전압을 디지털 값으로 변환하는 A/D 변환기를 구비하고, 상기 A/D 변환기로부터의 디지털 신호를 입력하여, 상기 촉각 센서에의 접촉압, 접촉 위치, X방향 및/또는 Y방향의 접촉 길이 중 적어도 2개를 구하고, 이 구한 접촉압, 접촉 위치, 접촉 길이를 바탕으로 상기 피 제어 장치를 제어하는 제어부를 구비하는 점에 있다.

(발명의 효과)

본 발명에 따르면, 가압에 대한 압력 분포를 검출하는 것이 아니라, 가압의 무게 중심 좌표와 압력의 값, 및 그 접촉 길이만을 검출함으로써 가압의 변화를 실시간으로 검출할 수 있다.

또한, 동일 평면 내에서 아날로그식 좌표 검출 장치와 아날로그 접촉압 검출 센서에 의해 실현하고 있으므로, 종래의 디지털적인 X, Y 매트릭스 센서와 비교하여 구성이 간단하고, 적은 배선으로 검출이 가능해지며, 신뢰성의 향상과 비용을 저감할 수 있다. 또한, 종래의 아날로그식의 것에 비해서도 동일 평면 내에서 검출할 수 있기 때문에 정확하게 정보를 입수할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 도시한 로봇의 하각 부분의 사시도이다.

도 2는 동 로봇의 손 부분의 사시도이다.

도 3은 동 촉각 센서의 분해 사시도이다.

도 4는 동 촉각 센서의 접촉 면적 검출의 일례를 도시한 개념도이다.

도 5는 동 촉각 센서에의 점 접촉시의 감압 저항 시트의 등가 회로이다.

도 6은 동 촉각 센서에의 면 접촉시의 감압 저항 시트의 등가 회로이다.

도 7은 동 촉각 센서에의 면 접촉시의 감압 저항 시트의 X방향의 등가 회로이다.

도 8은 동 촉각 센서에의 면 접촉시의 감압 저항 시트의 Y방향의 등가 회로이다.

도 9는 동 촉각 센서에의 접촉 위치가 중심 부근인 경우의 등가 회로이다.

도 10은 동 촉각 센서에의 접촉 위치가 주변 부근인 경우의 등가 회로이다.

도 11은 동 촉각 센서 응용 장치의 회로도이다.

도 12는 다른 실시 형태를 도시한 촉각 센서 응용 장치의 회로도이다.

도 13은 동 전환 스위치의 전환 순서를 도시한 도면이다.

도 14는 압력 검출 등의 다른 방법을 나타내기 위한 감압 저항 시트의 등가 회로이다.

<부호의 설명>

1…로봇(피 제어 장치) 3…촉각 센서

4…감압 저항 시트 5…도전성 필름(도전체)

6…도전성 필름(도전체) 9…제1 전극부

10…제1 전극부 11…제2 전극부

12…제2 전극부 27…제어부

30…외부의 제어기

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명을 로봇(피 제어 장치)(1)의 발바닥이나 손에 응용한 일 실시 형태를 나타내며, 유닛화한 촉각 센서(3)를 로봇(1)의 골격인 발바닥이나 손가락 또는 손바닥의 관절에 대응하여 장착하였다. 본 실시 형태에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 로봇(1)의 발바닥에 촉각 센서(3)가 2개 장착되고, 도 2에 도시한 바와 같이, 손가락에 촉각 센서(3)가 14개 장착됨과 아울러, 손바닥과 손등에 각각 하나씩 장착되어 있다. 이들 촉각 센서(3)는 손이나 발바닥의 관절에 맞추어 배치되어 있으므로, 관절은 자유로이 동작시킬 수 있고, 그 압력의 크기, 및 그 면적과 압력의 무게 중심 위치를 밀리미터 이하의 정밀도로 실시간으로 구할 수 있다. 촉각 센서(3)를 발바닥에 장착하면 보행시의 압력의 변화를, 또한 손가락에 장착하면 물건을 집었을 때의 압력의 변화, 미끄럼 등을 검출하기는 용이하다. 또한 후술하는 바와 같이, 촉각 센서(3)로부터 빠져나오는 신호선(2)은 하나의 촉각 센서(3)에 대하여 4∼6개로 적고, 빠져나온 배선이 방해를 하여 로봇 핸드의 쥐는, 만지는 등의 손가락의 미묘한 동작에 지장을 미치는 것은 적다.

다음, 촉각 센서(3)의 구조에 대하여 상세하게 설명한다. 도 3은 도 1 및 도 2에서 도시한 발바닥이나 손가락 또는 손바닥 중 하나에 배치된 촉각 센서(3)를 전개한 것이다(도 2에서는 이것을 손가락에 맞추어 감은 것을 사용하였다). 도 4는 촉각 센서(3)를 상면도와 측면도로 모식적으로 표시한 것이다. 도 3 및 도 4에 서, 상기 촉각 센서(3)는 감압 저항 시트(4)와, 감압 저항 시트(4)를 그 두께 방향의 양측으로부터 끼워넣도록 배치한 한 쌍의 도전성 필름(도전체)(5, 6)을 구비한다.

감압 저항 시트(4)는 시트면을 따른 X방향 및 Y방향으로 저항을 갖는 시트로서, 시트의 두께 방향과 일치하는 Z방향으로 저항을 가짐과 아울러, 두께 방향으로 감압성을 가지며, 두께 방향의 가압에 대응하여 Z방향의 저항이 변화하도록 되어 있다. 본 실시 형태에서는 감압 저항 시트(4)를 예컨대 폴리에틸렌에 카본을 혼입시켜 10의 4승 내지 10의 8승 정도의 표면 저항을 갖는 시트로 구성하였다.

10의 4승 내지 10의 8승 정도의 표면 저항을 갖는 시트는 통상 시판되고 있는 카본 함유 100μm의 두께의 폴리에틸렌 필름으로 반도체 IC나 전자 부품을 탑재한 기판을 정전기로부터 보호하기 위한 도전 백 등에 자주 사용되며, 일반적으로 입수 가능한 것이다. 실시예에서는 10의 4승 내지 10의 8승 정도의 표면 저항을 갖는 시트를 사용하였으나, 다양한 용도로 사용되는 감압 저항 시트의 형상은 다르므로 전극간의 저항도 크게 다르다. 실제의 제어 회로에서는 전극간의 저항과 감압 저항이 제어 수단이나 스위치 수단의 입력으로서 회로 입력 임피던스에 영향을 주지 않도록 최적으로 저항을 설정하는 것이 바람직하다. 따라서, 다양한 용도에 맞추어 수 킬로옴 내지 수십 메가옴의 표면 저항까지 사용할 수 있다. 그러나, 이것 이상의 표면 저항값에서는 X방향 또는 Y방향의 저항값이 커져 접촉 좌표의 검출이 어려워지고, 또한 이것 이하의 표면 저항에서는 감압 특성이 불충분하여 검출에 지장을 가져오는 경우가 있다.

감압 저항 시트(4)의 주변부에 X방향으로 전류를 흘리기 위한 한 쌍의 제1 전극부(9, 10)와, Y방향으로 전류를 흘리기 위한 한 쌍의 제2 전극부(11, 12)가 설치되고, 예컨대 한 쌍의 제1 전극부(9, 10)는 감압 저항 시트(4)의 X방향의 저항에 전류를 흘리기 위한 전극부가 되고, 한 쌍의 제2 전극부(9, 10)는 감압 저항 시트(4)의 Y방향의 저항에 전류를 흘리기 위한 전극부로 되어 있다.

그리고, 감압 저항 시트(4)는 직사각형으로 형성되며, 이 감압 저항 시트(4)의 네 코너부에 제1 전극(A)과 제2 전극(B)과 제3 전극(C)과 제4 전극(D)이 각각 설치되고, 상기 어느 하나의 제1 전극부(9)가 제1 전극(A)과 제3 전극(C)으로 구성되고, 나머지 하나의 제1 전극부(10)가 제2 전극(B)과 제4 전극(D)으로 구성되고, 상기 어느 하나의 제2 전극부(11)가 제1 전극(A)과 제2 전극(B)으로 구성되고, 나머지 하나의 제2 전극부(12)가 제3 전극(C)과 제4 전극(D)으로 구성되어 있다.

상기 제1 전극(A), 제2 전극(B), 제3 전극(C) 및 제4 전극(D)은 예컨대 감압 저항 시트(4)에 구리 호일을 장착함으로써 구성되어 있다.

상기 한 쌍의 도전성 필름(5, 6)은, 감압 저항 시트(4)의 두께 방향에 대응하는 한 쌍의 각 표면에 각각 설치되고, 예컨대 감압 저항 시트(4)의 Z방향의 저항에 전류를 흘리기 위한 도전체(제3 전극부)로 되어 있다. 도전성 필름(5, 6)은 감압 저항 시트(4)를 향하고 있는 면이 도전성을 가지고 있는 필름이며, PET(Poly Ethylene Terephthalate) 표면에 알루미늄이 증착된 알루미늄 PET로 구성할 수도 있고, PI(Poly Imide)에 도전막을 코팅한 FPC(플렉시블 프린트 기판) 등으로 구성할 수도 있다. 이 한 쌍의 도전성 필름(5, 6)은 감압 저항 시트(4)에 대응하여 각 각 직사각형으로 형성되고, 도전성 필름(5, 6)은 감압 저항 시트(4)에 Z방향으로 전류를 흘리기 위한 한 쌍의 제3 전극부로 되어 있다. 또한, 한 쌍의 도전성 필름(5, 6)을 한 쌍의 제3 전극부로 하는 경우, 한 쌍의 도전성 필름(5, 6)에 전원 등으로부터의 배선을 직접 접속하도록 할 수도 있고, 한 쌍의 도전성 필름(5, 6)에 예컨대 구리 호일을 장착하여 된 전극을 설치하고, 이 전극에 전원 등으로부터의 배선을 접속하도록 할 수도 있다.

다음, 감압 저항 시트(4)를 이용하여 접촉압(감압) 검출과 접촉 위치(위치 좌표) 검출을 행하는 원리에 대하여 설명한다.

감압 저항 시트(4)는 두께 방향의 가압력에 대하여 저항의 변화를 나타내며, 예컨대 직경 4mm의 면적에 1N(뉴턴)의 하중을 감압 저항 시트(4)에 가하면, 수 십 킬로옴의 저항을 가지고 있던 것이 100N의 하중에서는 수십 옴의 저항이 된다. 이와 동등한 기능을 갖는 것에 잘 알려진 감압 도전성 고무가 있다. 감압 도전성 고무는 실리콘 고무와 금속 또는 카본 입자를 조합한 복합 재료로서, 압력의 자극에 따라 절연 상태에서 도전 상태로 저항 변화를 나타내는 가압 도전성 고무이고, 가압함으로써 내부의 금속 입자가 접촉하기 때문에 도전성을 갖는 것이며, 두께 방향의 기능에 관해서는 상기 카본을 혼입시킨 본 발명에 사용되는 감압 저항 시트(4)와 동일하다. 그러나, 감압 도전성 고무는 액정 유리 패널 상의 전극과 외부에 접속하는 FFC 케이블을 접속하기 때문에 실리콘 고무 필름의 두께 방향으로 금속 입자를 배열시킨 이방 도전성 커넥터로도 사용되어 온 바와 같이, 절연 성능이 높은 고무와 도전성이 높은 금속 입자에 의해 구성되어 있으므로, 두께 방향으로의 가압 에 대해서는 도전성을 갖지만, 가압 주변 이외의 X, Y 평면에 대해서는 높은 절연 성능이 있어, 종래에는 전술한 바와 같이 XY 좌표 위치를 검출하기 위하여 다른 부품과 조합하여 실시되어 왔다.

한편, 본 발명에 사용되는 카본을 혼입시킨 폴리에틸렌 필름제의 감압 저항 시트(4)는 종래의 감압 도전성 고무와 비교하여 X, Y 평면에서도 소정의 저항성을 갖는 것이다. 따라서, X, Y 평면에서도 소정의 저항값을 얻을 수 있다면, 감압 저항 시트(4)로서 고무를 기재로 사용하는 것도, 그리고 다른 감압 재료를 사용하는 것에 문제는 없다.

감압 저항 시트(4)는 2장의 도전성 필름(5, 6)의 도전면을 접하여 끼여 있는데, 그 사이에는 스페이서가 개재되어 있으며, 가압이 가해지지 않을 때 2장의 도전 필름(5, 6) 사이는 절연, 또는 감압 저항 시트(4)의 두께 방향(Z방향)의 저항값과 비교하여 2배 이상 큰 저항을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다.

스페이서로서 수 마이크론 내지 수십 마이크론 두께의 필름 스페이서를 좌우 양단에 넣어 틈을 만들어도 좋고, 터치 패널이나 액정의 패널에 사용되는 수 마이크론 내지 수십 마이크론의 구형의 수지 비즈의 마이크로 스페이서를 이용하여 틈을 만들어도 좋다. 도전성 필름(5, 6)을 가압함으로써 그 가압 위치에서 도전성 필름(5, 6)의 도전면과 감압 저항 시트(4)가 접촉하도록 만들어져 있다. 마이크로 스페이서에 의해 틈을 확보할 때, 마이크로 스페이서의 분포 밀도에 따라 가압에 대한 압력 검지 개시 감도가 변한다. 밀도가 크면, 가압 정도가 크지 않으면, 감압 저항 시트(4)와 접촉하지 않는다. 또한, 밀도가 작으면, 조금의 가압으로 검지 할 수 있으므로, 용도에 따라 마이크로 스페이서의 밀도를 선택할 수 있다. 물론 이들은 도전성 필름(5, 6)의 두께, 강성에 의해서도 영향을 받으므로 압력 검출 개시 감도는 이들 도전성 필름(5, 6)과 마이크로 스페이서의 조건으로 결정할 필요가 있다.

그런데, 이와 같이 구성된 촉각 센서(3)를 사용하여 입력 정보를 검출하는 기본 동작을 설명하면, 접촉압을 검출하는 접촉압 검출 수단으로서 도전성 필름(5), 감압 저항 시트(4), 도전 필름(6)을 사용한다. 도전성 필름(6)의 도전면과 감압 저항 시트(4)가 접하는 면을 촉각 센서 영역으로 하고, 도전성 필름(5)과 도전성 필름(6)이 대치한 도전면과 감압 저항 시트(4)에 접하는 면을 촉각 압력 센서 영역으로 한다. 따라서, 반드시 도전성 필름(6)의 도전 면적과 도전성 필름(5)의 도전 면적은 동일하지 않아도 된다. 이 한 쌍의 도전성 필름(5, 6)(한 쌍의 제3 전극부) 사이에 일정 전류를 흘린다. 전술한 바와 같이, 도전성 필름(6)을 가압함으로써 감압 저항 시트(4)에 압력이 가해져 Z방향의 저항값이 변화된다. 따라서, 한 쌍의 도전성 필름(5, 6)에 흐르는 전류를 일정하게 하면, 도전성 필름(5, 6)(제3 전극부) 사이의 전압(Vz)으로부터 가압력(접촉압)을 구할 수 있다. 즉, 도전성 필름(5)으로부터 전류를 흘리고, 도전성 필름(6)으로부터 전류를 빼낼 때, 도전성 필름(5)의 전압(V5)과 도전성 필름(6)의 전압(V6)과의 차(조합)로부터 접촉압을 구할 수 있다.

다음, 접촉 위치(접촉에 의한 X, Y 좌표)를 검출하는 검출 수단에 대하여 설명한다. 감압 저항 시트(4)의 제1 전극(A) 및 제3 전극(C)(제1 전극부(9))에 전 압(Vx0)을 가하고, 제2 전극(B) 및 제4 전극(D)(제1 전극부(10))을 GND로 한다. 도 5는 점 접촉한 경우의 감압 저항 시트(4)의 등가 회로를 나타내고 있으며, 도 5에 도시한 바와 같이, 도전성 필름(6)의 어느 좌표 위치를 누르면 도전성 필름(6)의 도전면은 감압 저항 시트(4)에 접촉한다. 접촉 위치를 제2 전극(B) 및 제4 전극(D)(제1 전극부(10))의 위치로부터 X방향으로 X1의 거리의 점(S)이 접촉되었다고 하면, 도전성 필름(6)(제3 전극부)의 전압(Vzx)은

Vzx=X1/(X1+X2)*Vx0

이 된다.

여기서, X2는 제1 전극(A) 및 제3 전극(C)(제1 전극부(9))의 위치에서부터 접촉점(S)까지의 X방향의 거리이다.

따라서, 한 쌍의 제1 전극부(9, 10) 사이에 전압(Vx0)을 인가하여 감압 저항 시트(4)에 X방향의 전류를 흘렸을 때, 어느 하나의 제1 전극부(9)와 어느 하나의 도전성 필름(6) 사이의 전압(Vzx)을 검출하고, 이 검출한 전압(Vzx)과 상기 인가 전압(Vx0)과의 관계로부터 X방향의 접촉 위치를 구할 수 있다. 즉, 제1 전극부(9)로부터 전류를 흘리고, 제1 전극부(10)로부터 전류를 꺼냈을 때, 제1 전극부(9)의 전압(V9)과 제1 전극부(10)의 전압(V10)과의 차(조합)와, 어느 하나의 제1 전극부(9)의 전압(V9)과 어느 하나의 도전성 필름(6)의 전압(V6)과의 차(조합)로부터 X방향의 접촉 위치를 구할 수 있다.

마찬가지로, 제1 전극(A) 및 제2 전극(B)(제2 전극부(11))에 전압(Vy0)을 가하고, 제3 전극(C) 및 제4 전극(D)(제2 전극부(12))을 GND로 하면,

Vzy=Y1/(Y1+Y2)*Vy0

가 된다.

여기서, Y1은 제3 전극(C) 및 제2 전극(D)(제2 전극부(12))의 위치에서부터 접촉점(S)까지의 Y방향의 거리이며, Y2는 제1 전극(A) 및 제2 전극(B)(제2 전극부(11))의 위치에서부터 접촉점(S)까지의 Y방향의 거리이다.

따라서, 한 쌍의 제2 전극부(11, 12) 사이에 전압(Vy0)을 인가하여 감압 저항 시트(4)에 Y방향의 전류를 흘렸을 때, 어느 하나의 제2 전극부(11)와 어느 하나의 도전성 필름(6) 사이의 전압(Vzy)을 검출하고, 이 검출한 전압(Vzy)과 상기 인가 전압(Vy0)과의 관계로부터 Y방향의 접촉 위치를 구할 수 있다. 즉, 제2 전극부(11)로부터 전류를 흘리고, 제2 전극부(12)로부터 전류를 꺼냈을 때, 제2 전극부(11)의 전압(V11)과 제2 전극부(12)의 전압(V12)과의 차(조합)와, 어느 하나의 제2 전극부(11)의 전압(V11)과 어느 하나의 도전성 필름(6)의 전압(V6)과의 차(조합)로부터 Y방향의 접촉 위치를 구할 수 있다.

또한, 접촉 위치의 도전 필름(6)으로부터 감압 저항 시트(4)의 전극부로 전류를 흘리고, 감압 저항 시트(4)에 배치된 각 전극부에 흐르는 전류로 검출하도록 하여도 위치 좌표 검출을 구할 수도 있다. 이 때, 네 코너로 유출되는 전류값은 접촉점과의 거리에 반비례한 전류가 흐른다.

도 6∼도 8은 면 접촉한 경우의 등가 회로이며, 도 6은 면 접촉시의 X방향 및 Y방향의 저항의 등가 회로를 나타내고, 도 7은 면 접촉시의 Y방향의 저항을 생략하여 X방향의 저항만을 꺼낸 경우의 등가 회로를 나타내고, 도 8은 면 접촉시의 X방향의 저항을 생략하여 Y방향의 저항만을 꺼낸 경우의 등가 회로를 나타내고 있다. 도 6∼도 8에 도시한 바와 같이, 도 5의 경우와 마찬가지로 접촉 좌표는 Vzx/Vx0의 비, Vzy/Vy0의 비로 구할 수 있다. 전압(Vzx)은 감압 저항(Rx4)과 감압 저항(Rx5)의 비율에 대응한 전압이며, 전압(Vzy)은 감압 저항(Ry4)과 감압 저항(Ry5)의 비율에 대응한 전압이므로, 도전 필름(6)에서 검출되는 전압(V6)은 접촉 면적의 중심이 아니라 가압의 압력 분포에 비례한 위치의 전압이 출력되게 된다. 특히 본 발명에서는 동일 평면 내에서의 위치 좌표와 압력 정보를 받아들일 수 있으므로, 정확하게 검출할 수 있다.

통상, 접촉면에 면적을 가지고 있을 때에는, 접촉 압력 정보가 없는 접촉 좌표 위치의 검출에는 오차가 발생한다. 종래(예컨대 특허 제3055448호)에서는 그 해결을 위하여 접촉면의 크고 작음에 따른 변화로부터 정확한 접촉 좌표를 구하였으나, 접촉압의 분포 정보가 받아들여져 있지 않기 때문에 예컨대 접촉면의 일단에서 접촉압이 큰 경우 등 압력 정보가 받아들여지지 않은 접촉한 면적으로 보정을 행하면, 반대로 접촉의 중심 위치의 오차가 커질 가능성이 있다. 본 발명에서는 한 장의 감압 저항 시트(4)에 의해 동일 평면 내에서 가압의 분포에 따른 비율로 접촉 위치의 X, Y 좌표를 구하므로, 보다 정확하게 X, Y 좌표를 구할 수 있는 이점이 있다.

다음, 접촉 주변압으로부터 접촉 길이를 검출하는 수단으로서, 감압 저항 시트(4), 도전성 필름(6)을 사용한다. 먼저, 접촉 가압하기 전에 감압 저항 시트(4)의 제1 전극(A) 및 제3 전극(C)(어느 하나의 제1 전극부(9))과 제2 전극(B) 및 제4 전극(D)(나머지 하나의 제1 전극부(10)) 사이에 일정 전류를 가하여 한 쌍의 제1 전극부(9, 10) 사이의 전압(Vx0)을 검출하고, 다음 감압 저항 시트(4)의 제1 전극(A) 및 제2 전극(B)(어느 하나의 제2 전극부(11))과 제3 전극(C) 및 제4 전극(D)(나머지 하나의 제2 전극부(12)) 사이에 일정 전류를 가하여 한 쌍의 제2 전극부(11, 12) 사이의 전압(Vy0)을 검출한다. 도전 필름(6)을 통하여 감압 저항 시트(4)의 어느 위치에 있는 면적을 가지고 접촉 가압하면, 한 쌍의 제1 전극부(9, 10) 및 한 쌍의 제2 전극부(11, 12) 사이에 흘리는 일정 전류는 접촉면에서는 감압 저항 시트(4)로부터 도전성 필름(5, 6)으로 흐르고, 한 쌍의 제1 전극부(9, 10) 사이 및 한 쌍의 제2 전극부(11, 12) 사이의 전압(Vx, Vy)은 저하한다. 이 X방향의 변화량(Vx0-Vx)과 Y방향의 변화량(Vy0-Vy)을 접촉압에 대응한 접촉 면적으로 정의할 수 있다. 접촉면이 커지면, 도전성 필름(5, 6)을 통과하는 전류는 증가하게 되고, 제1 전극부(9, 10) 사이의 전압(Vx) 및 제2 전극부(11, 12) 사이의 전압(Vy)은 저하한다.

이것을 도 5∼도 8의 등가 회로로 설명하면, 도 5∼도 8은 도전성 필름(6) 및 감압 저항 시트(4)에 가압되었을 때의 각 부의 저항을 나타낸 것이다. 도 5는 점 접촉한 경우의 등가 회로이며, 접촉에 의한 한 쌍의 제1 전극부(9, 10) 사이 또는 한 쌍의 제2 전극부(11, 12) 사이의 저항의 변화는 없다.

도 6∼도 8은 면 접촉한 경우의 등가 회로이며, 실제로는 접촉면의 각 위치와 그 위치에서의 감압 저항 시트(4)의 저항의 분포로 표시되나, 도 6∼도 8은 그것을 간단 모델화한 등가 회로이다. 한 쌍의 제1 전극부(9, 10) 사이의 전류는 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 접촉면 이외의 위치에서는 감압 저항 시트(4)의 저항(Rx1)을 흐르고, 접촉면에서는 가압력이 큰 접촉면의 에지부의 위치 좌표에서 감압 저항(Rx4)을 통하여 도전 필름(6)에, 감압 저항(Rx40)을 통하여 도전 필름(5)에 흐르고, 가압력이 큰 접촉면의 나머지 하나의 에지부의 위치 좌표의 감압 저항(Rx5) 및 감압 저항(Rx50)을 통하여 흐르는 전류와 감압 저항 시트(4)의 감압 저항(Rx3)에 흐르는 전류와의 총합이 감압 저항 시트(4)의 감압 저항(Rx2)에 흐르게 된다. 이들은 접촉면의 에지부의 위치 좌표에서 감압 저항(Rx4), 감압 저항(Rx40), 감압 저항(Rx5), 감압 저항(Rx50)을 통하여 도전 필름(5, 6)에 흐르고 있는 것이므로, 검출되는 전압 변화량(V0x-Vx)은 단순히 접촉 면적에 비례하는 것이 아니라, 접촉압 접촉의 외주변의 압력에 의해서도 영향을 받는다. 이는 접촉 면적을 검출할 때의 문턱값을 결정하는 것이 되며, 전극 사이에서 가장 저항이 작아지도록 전류가 흐름으로써 그 값은 결정된다.

또한, 도 9는 접촉 위치가 촉각 센서(3)의 중심 부근일 때의 전극(A, C)과 접촉 위치 사이의 등가 저항을 나타내고, 도 10은 접촉 위치가 촉각 센서(3)의 주변 부근일 때의 전극(A, C)과 접촉 위치 사이의 등가 저항을 나타내는데, 전극 사이에서 가장 저항이 작아지도록 전류가 흐르므로, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 접촉 위치가 전극을 연결하는 최단 거리에서 멀어지면, 접촉 면적이 동일하여도 전극간의 저항의 변화가 적어지므로, 접촉 좌표에 의해 보정할 필요가 있다.

또한, 전술한 접촉 길이는 전극부(9, 10, 11, 12)에서 전류를 흘리고, 그 변화를 검출하였으나, 도전체(5) 또는 도전체(6)로부터 전류를 흘리고, 전극부(9, 10, 11, 12)에서 그 전압의 변화를 검출하고, 이미 검출된 접촉압, 접촉 좌표를 구하는 전압의 조합으로부터 접촉 길이를 산출할 수도 있다.

본 발명에서는 동일 평면 내에서 접촉 주변의 압력을 받아들일 수 있으므로, 검출되는 접촉 면적은 정밀도가 높은 값을 얻을 수 있다. 또한, 접촉 면적이 작은 경우에는, 도 6∼도 8에 도시한 감압 저항(Rx3), 감압 저항(Ry3)이 작으므로, 도전 필름(5, 6)에 새어 들어오는 전류는 적어지고, 접촉 면적은 보다 작게 검출되는데, 이들은 단순히 보정을 행하여 이용할 수도 있고, 앞서 검출된 압력값과 조합하여 접촉면에 가해지는 하중을 보정할 수도 있다.

전술에서는 압력 검출이나 좌표 검출시의 전극 구성이 동일하고, 제어 방법도 동일한 방식으로 하여, 제어부(27)를 공통으로 사용하여 스위치 수단(16)에 의해 전환하여 압력 검출하고, X방향과 Y방향을 각각 별도로 하여 좌표 검출하고, 접촉 길이를 구해 왔으나, 접촉 위치의 도전 필름(6)으로부터 감압 저항 시트(4)의 전극부(9, 10, 11, 12)(전극(A, B, C, D))으로 전류를 흘리고, 도전체(5)로부터 전류를 꺼냄으로써 압력 검출을 감압 저항 시트(4)에 배치된 각 전극부(9, 10, 11, 12)전극(A, B, C, D))에 흐르는 전류로 검출하는 제어 방법으로, 한 번에 X방향, Y방향의 위치 좌표를 검출할 수도 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 XY 좌표 위치를 구하는 것이었으나, 용도에 따라서는 센서의 전극 구성을 간단히 하여 X좌표만, Y좌표만을 구하는 구성일 수도 있다. 요컨대, 시트면을 따른 방향으로 저항을 갖는 시트로서, 시트의 두께 방향으로 저항을 가짐과 아울러 두께 방향의 가압에 대응하여 두께 방향의 저항이 변화 하는 감압 저항 시트(4)를 구비하고, 감압 저항 시트(4)에의 접촉압, 접촉 위치, 접촉 길이 중 적어도 2개를 구하기 위하여, 감압 저항 시트(4)에 그 시트면을 따른 방향 및/또는 두께 방향으로 전류를 흘리도록 하면 된다.

다음, 본 발명의 촉각 센서의 동작과 촉각 센서를 사용한 로봇(1)의 제어에 대하여 상세하게 설명한다.

도 11에서, 15는 정전류 전원, 16은 아날로그의 멀티플렉서를 이용하여 구성한 스위치 수단이며, 전환 스위치(SW1)와 전환 스위치(SW2)를 구비하고, 도 1 또는 도 2에도 도시한 바와 같이, 스위치 수단(16)은 촉각 센서(3)와 후술하는 제어 수단(24) 사이에 개재되어 있다. 전환 스위치(SW1)는 서로 연동하여 움직이는 한 쌍의 가동 접점(18, 19)을 가지며, 정전류 전원(15)을 도전성 필름(5, 6) 측에 접속할 것인지 전극(A, D) 측에 접속할 것인지를 전환하도록 되어 있다. 전환 스위치(SW2)는 전극(B)을 전극(D) 또는 전극(A)에 접속하는 가동 접점(21)과, 전극(C)을 전극(A) 또는 전극(D)에 접속하는 가동 접점(22)을 가지며, 전류를 전극(A, C)(제1 전극부(9))으로부터 전극(B, D)(제1 전극부(10))으로 흘릴 것인지, 전류를 전극(A, B)(제2 전극부(11))으로부터 전극(C, D)(제1 전극부(12))으로 흘릴 것인지를 전환하도록 되어 있다.

23은 스위치 전환 회로로서, 전환 스위치(SW1, SW2)를 연동하여 전환 동작시킨다. 24는 제어 수단으로서, A/D 변환기(25)와, CPU와 메모리를 갖는 제어부(27)와, 모터 구동 회로(28)를 가지고 있다. 30은 CPU 등에 의해 구성한 외부 제어기이다. 31은 로봇의 구동 모터이며, 도 1에 도시한 바와 같이 로봇(1)의 다리의 무 릎 부분이나 발목 부분에 부착되며, 구동 모터(31)의 구동에 의해 로봇(1)의 하각부를 전후 요동시키거나, 다리를 발목 부분에서 전후 요동시키도록 되어 있다. 또한, 구동 모터(31)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 손가락에 장착한 각 촉각 센서(3)에 대응하여 손가락의 관절 부분에 내장되며, 구동 모터(31)의 구동에 의해 손가락을 관절 부분에서 움직여 손을 쥐거나 펼 수 있도록 되어 있다.

촉각 센서(3)의 제어는, 먼저, 전환 스위치(SW1)의 가동 접점(18, 19)을 도전성 필름(5, 6) 측으로 기울어져 정전류 전원(15)으로부터 도전성 필름(5, 6)으로 전류가 흐르도록 설정한다. 통상, 촉각 센서(3)에 접촉해 있지 않을 때, 스페이서 등에 의해 도전성 필름(5, 6) 사이는 절연되어 있으므로, 도전성 필름(5, 6) 사이에 전류를 흘리면 도전성 필름(5, 6) 사이에 정전류 전원(15)에서 설정되는 최대 전압(Vmax)이 발생한다. 그리고, 촉각 센서(3)에 접촉함으로써 도전성 필름(5, 6)은 감압 저항 시트(4)를 통하여 접속되고, 도전성 필름(5, 6) 사이에 전압(Vz)이 발생한다. 이 전압(Vz)이 소정의 전압 이하로 되었을 때부터 이하에 설명하는 검출을 시작한다.

〔접촉압의 검출〕

촉각 센서(3)에의 접촉에 의한 가압이 증가함에 따라 감압 저항 시트(4)의 저항이 감소하고, 도전성 필름(5, 6) 사이의 전압(Vz)은 변화하므로, 전압(Vz)이 소정의 전압(Vz0) 이하로 되었을 때부터 소정 시간 후 도전성 필름(6)으로부터 전류를 빼낼 때, 도전성 필름(5)의 전압(V5)과 도전성 필름(6)의 전압(V6)과의 차(조합)로부터 접촉압을 나타내는 전압(Vz)을 검출하고, 제어 수단(24)의 A/D 변환 기(25)에서 변환한 데이터를 제어부(27)에 저장한다.

〔접촉 좌표의 검출〕

다음, 전환 스위치(SW1)의 가동 접점(18, 19)을 전극(A, D) 측으로 기울어져 전극(A, D) 측에 정전류 전원(15)을 접속한다. 이 때, 정전류 전원(15)으로부터 전극(A, C)(제1 전극부(9))과 전극(B, D)(제1 전극부(10)) 사이로 정전류를 흘리도록 전환 스위치(SW2)는 그 가동 접점(21)이 전극(D) 측으로 기울어져 전극(B)과 전극(D)을 접속함과 아울러, 가동 접점(22)이 전극(A) 측으로 기울어져 전극(A)과 전극(C)을 접속한 상태로 되어 있으며, 제1 전극부(9)로부터 전류를 흘리고, 제1 전극부(10)로부터 전류를 꺼냈을 때, 제1 전극부(9)의 전압(V9)과 제1 전극부(10)의 전압(V10)과의 차(조합)인 제1 전극부(9, 10) 사이의 전압(V0x)을 제어 수단(24)에 입력하고, AD 변환기(25)에서 변환하여 그 데이터를 제어부(27)에 저장한다.

이 때, 전류는 감압 저항 시트(4)를 X방향으로 흐르고, 어느 하나의 제1 전극부(9)의 전압(V10)과 어느 하나의 도전성 필름(6)의 전압(V6)과의 차(조합)로부터 도전성 필름(5)과 전극(B, D)(제1 전극부(10)) 사이의 전압(Vzx)을 검출하여, 마찬가지로 제어 수단(24)의 AD 변환기(25)에서 변환하여 그 데이터를 제어부(27)에 저장한다. X방향의 접촉 위치를 나타내는 접촉 위치의 X좌표는 Vzx/V0x이므로, 제어부(27)에서 계산하고, X좌표를 구한다.

다음, 전환 스위치(SW2)의 가동 접점(21)을 전극(A) 측으로 기울여 전극(A)과 전극(B)을 접속함과 아울러, 가동 접점(22)을 전극(D) 측으로 기울여 전극(C)과 전극(D)을 접속하고, 전극(A, B)(제2 전극부(11))과 전극(C, D)(제2 전극부(12)) 사이에 전류를 흘리면, 전류는 감압 저항 시트(4)를 Y방향으로 흐르고, 마찬가지로 접촉 위치의 Y좌표도 제2 전극부(11)로부터 전류를 흘리고, 제2 전극부(12)로부터 전류를 꺼냈을 때, 제2 전극부(11)의 전압(V11)과 제2 전극부(12)의 전압(V12)과의 차(조합)와, 어느 하나의 제2 전극부(11)의 전압(V11)과 어느 하나의 도전성 필름(6)의 전압(V6)과의 차(조합)로부터 Y방향의 접촉 위치를 구하는 Vzy/V0y를 제어부(27)에서 계산하고, 그 데이터를 메모리에 저장한다.

〔접촉압에 대한 접촉 면적의 검출〕

미리 촉각 센서(3)에 접촉해 있지 않을 때의 전극(A, C)(제1 전극부(9))과 전극(B, D)(제1 전극부(10)) 사이의 전압을 V0xmax, 전극(A, B)(제2 전극부(11))과 전극(C, D)(제2 전극부(12)) 사이의 전압(V0max)을 제어 수단(24)의 A/D 변환기(25)에서 AD 변환하고, 그 데이터를 제어부(27)에 저장해 둔다. 그리고, X방향, Y방향의 접촉압에 대한 접촉 면적을 각각 V0max-V0x, V0ymax-V0y로 나타낼 수 있으므로, 이들 데이터를 제어부(27)에서 계산하고, 그 데이터를 메모리에 저장한다.

〔외부 CPU에의 전송과 모터 제어〕

다음, 제어부(27)의 메모리에 저장된 데이터는 외부 제어기(30)로 전송됨과 동시에, 외부 제어기(30)로부터 모터 구동의 지시가 있을 때까지 제어부(27)는 다시 촉각 센서(3)의 접촉압의 검출, 접촉 좌표의 검출, 접촉압에 대한 접촉 길이(면적)의 검출의 제어를 실시함과 아울러, 그 변동이 최소가 되도록 각 구동 모터(31)를 구동 제어한다. 그리고, 한 쌍의 제1 전극부(9, 10) 사이 및 한 쌍의 제2 전극부(11, 12) 사이의 전압이 소정의 값 이상이 되고, 한 쌍의 도전체(5, 6) 사이의 전압이 소정의 값 이상이 되었을 때, 상기 제어부(27)에 의해 구한 데이터의 값을 유지하는 제어를 정지한다.

상기 실시 형태에 따르면, 촉각 센서(3)의 XY 좌표의 위치에 어느 정도 접촉압이 가해졌는지를 정확하고 신속하게 검출할 수 있고, 그 입력 정보에 따라 로봇(1)의 각 손가락의 구동 모터(31)를 동작시켜 정밀하고 정확하게 상황에 따라 피드백할 수 있다. 예컨대 로봇(1)과 악수할 때에는, 아이와는 약하고 부드럽게, 그리고 강하게 의사 표시를 할 필요가 있을 때에는 강하게, 그리고 손가락 끝까지 제어하여 의지를 정확하게 전달하는 것도 가능해진다. 그 이외에도 이것을 발바닥의 압력 검출에도 응용하면, 2족 보행시, 균형을 잃은 경우, 발의 일부분의 접촉압의 변화를 검출할 수 있기 때문에 정밀한 제어에 의해 로봇(1)의 균형을 유지하는 용도에 이용하는 것도 가능해진다.

도 12 및 도 13은 다른 실시 형태를 나타내며, 상기 실시 형태의 스위치 수단(16)의 전환 스위치(SW1, SW2) 대신, 스위치 회로(16)에 제1 스위치(SW11)와 제2 스위치(SW12)와 제3 스위치(SW13)와 제4 스위치(SW14)를 설치하였다. 제1 스위치(SW11)는 가동 접점(35)을 가지며, 정전압 전원(15)의 고압측에 대하여 도전성 필름(5)을 접속 또는 접속차단하도록 구성되어 있다. 제2 스위치(SW12)는 가동 접점(36)을 가지며, 정전압 전원(15)의 GND측에 대하여 감압 저항 시트(4)의 제1 전극(A)을 접속 또는 접속차단하도록 구성되어 있다. 제3 스위치(SW13)는 가동 접점(37)을 가지며, 정전압 전원(15)의 GND측에 대하여 도전성 필름(6)을 접속 또는 접속차단하도록 구성되어 있다. 제4 스위치(SW14)는 상기 전환 스위치(SW2)와 마 찬가지로, 전극(B)을 전극(D) 또는 전극(A)에 접속하는 가동 접점(21)과, 전극(C)을 전극(A) 또는 전극(D)에 접속하는 가동 접점(22)을 가지며, 전류를 전극(A, C)(제1 전극부(9))으로부터 전극(B, D)(제1 전극부(10))으로 흘릴 것인지, 전류를 전극(A, B)(제2 전극부(11))으로부터 전극(C, D)(제1 전극부(12))으로 흘릴 것인지를 전환하도록 되어 있다. 또한, 도전성 필름(5, 6), 감압 저항 시트(4)의 전극(A, B, C, D)을 제어 수단(24)의 A/D 변환기(25)에 접속하고, 도전성 필름(5, 6), 감압 저항 시트(4)의 전극(A, B, C, D)으로부터의 신호(전압)를 A/D 변환기(25)에 입력하도록 하고 있다. 그 이외의 점은 상기 실시 형태의 경우와 동일한 구성이다.

본 실시 형태의 경우, 제어 수단(24)의 제어부(27)에 의해 스위치 전환 회로(23)를 통하여 제1 스위치(SW11)∼제4 스위치(SW14)를 도 13에 도시한 바와 같이 전환한다. 즉, 도 13에서는 좌단부에 제1 스위치(SW11)∼제4 스위치(SW14)를 전환하는 순서가 기재되어 있으며, 아래쪽부터 순서대로 1, 2, 3, 4, 5의 순서로 전환된다. 제1 스위치(SW11)의 열의 "1"은 정전압 전원(15)의 고압측에 대하여 도전성 필름(5)을 접속한 상태를 나타내고, "0"은 정전압 전원(15)의 고압측에 대하여 도전성 필름(5)을 접속차단한 상태를 나타내고 있다. 제2 스위치(SW12)의 열의 "1"은 정전압 전원(15)의 GND측에 대하여 감압 시트(4)의 제1 전극(A)을 접속한 상태를 나타내고, "0"은 정전압 전원의 GND측에 대하여 감압 시트(4)의 제1 전극(A)을 접속차단한 상태를 나타내고 있다. 제3 스위치(SW13)의 열의 "1"은 정전압 전원(15)의 GND측에 대하여 도전성 필름(6)을 접속한 상태를 나타내고, "0"은 정전압 전원(15)의 GND측에 대하여 도전성 필름(6)을 접속차단한 상태를 나타내고 있다. 제4 스위치(SW14)의 열의 "1"은 전류를 전극(A, C)(제1 전극부(9))으로부터 전극(B, D)(제1 전극부(10))으로 흘리도록 전환한 상태를 나타내고, "0"은 전류를 전극(A, B)(제2 전극부(11))으로부터 전극(C, D)(제1 전극부(12))으로 흘리도록 전환한 상태를 나타내고 있다.

제어부(27)의 제어에 의해 스위치 전환 회로(23)를 통하여 제1 스위치(SW11)∼제4 스위치(SW14)가 전환 동작된다. 먼저, 제1 스위치(SW11)∼제4 스위치(SW14)가 "1, 1, 1, 1"의 상태로 되어, 상기 실시 형태의 경우와 동일하게 Z좌표의 가압 검출이 행해지고, 다음 제1 스위치(SW11)∼제4 스위치(SW14)가 "1, 1, 0, 1"의 상태로 전환되어 상기 실시 형태의 경우와 동일하게 접촉 면적의 검출이 행해진다. 다음, 제1 스위치(SW11)∼제4 스위치(SW14)가 "1, 0, 0, 1"의 상태로 전환된 후, 다시 "1, 0, 0, 1"의 상태로 전환되고, 상기 실시 형태의 경우와 동일하게 Y좌표 검출이 행해지고, 마지막으로 제1 스위치(SW11)∼제4 스위치(SW14)가 "0, 0, 0, 0"의 상태로 전환되고, 상기 실시 형태의 경우와 동일하게 X좌표 검출이 행해진다.

따라서, 본 실시 형태의 경우도 상기 실시 형태의 경우와 동일하게, 촉각 센서(3)의 XY 좌표의 위치에 어느 정도 접촉압이 가해졌는지를 정확하고 신속하게 검출할 수 있고, 그 입력 정보에 따라 로봇(1)의 각 손가락의 구동 모터(31)를 동작시켜 정밀하고 정확하게 상황에 따라 피드백할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 스위치 수단(16)에 의해 도전 필름(5, 6)에 전류를 흘리고, 압력 검출을 행하는 경우와, 전극부(9, 10, 11, 12)에 전류를 흘리 고, 접촉 좌표를 구하는 경우에서 제어를 전환해 왔으나, 압력 검출 및 접촉 좌표를 구하는 방법은 상기 실시 형태의 경우에 한정되지 않으며, 예컨대 도전 필름(6)에 전원(15)을 접속하고, 도 14에 도시한 바와 같이, 도전 필름(6)으로부터 전류를 흘리고, 감압 저항 시트(4)의 전극부(9, 10, 11, 12)와 접촉 위치의 도전 필름(5)으로부터 전류를 동시에 꺼냄으로써 도전 필름(5)의 전압(V5)과 도전 필름(6)의 전압(V6)으로부터 압력 검출하고, 도전 필름(6)의 전압(V6) 및 전극(A, C)의 전압(VA, VC)으로부터 식 〔(V6-VA)/(V6-VC)〕를 이용하여 X방향의 접촉 위치를 구함과 아울러, 도전 필름(6)의 전압(V6) 및 전극(B, D)의 전압(VB, VD)으로부터 식 〔(V6-VB)/(V6-VD)〕를 이용하여 Y방향의 접촉 위치를 구하도록 할 수도 있다. 따라서, 각 전극부(9, 10, 11, 12)(각 전극(A, B, C, D))의 전압과 도전 필름(5, 6)의 전압을 조합함으로써 스위치 수단을 필요로 하지 않고 압력 검출, 위치 좌표 검출, 접촉 길이를 구할 수도 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 원리를 이해하기 쉽게 설명하기 위하여 직류의 정전류원을 인가하였으나, 정전압원과 저항을 이용하여 간이한 정전류원을 실현할 수도 있다. 또한 소정의 주파수 성분의 신호만을 꺼냄으로써 노이즈 성분을 저감하는 방법을 위하여 교류 전원을 사용하는 것도 가능하다.

또한, 상기 실시 형태에서는 감압 저항 시트(4)는 직사각형으로 형성되어 있으나, 감압 저항 시트(4)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 원형 기타 형상으로 하는 것도 가능하다. 또한, 감압 저항 시트(4)의 형상에 대응하여 한 쌍의 도전성 필름(5, 6)을 원형 기타 형상으로 하도록 할 수도 있다. 또한, 감압 저항 시트(4) 의 네 코너부에 제1 전극(A)과 제2 전극(B)과 제3 전극(C)과 제4 전극(D)을 각각 설치하고, 이들 전극(A, B, C, D)에 의해 제1 전극부(9)와 제1 전극부(10)와 제2 전극부(11)와 제2 전극부(12)를 구성하는 경우라 하더라도, 감압 저항 시트(4)는 직사각형에 한정되지 않으며, 예컨대 감압 저항 시트(4)의 네 변이 활모양으로 움푹 들어간 사각형상이나, 네 변이 활모양으로 팽출한 형상 기타 형상의 것일 수도 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 감압 저항 시트(4)의 표면에 설치한 Z방향의 저항에 전류를 흘리기 위한 도전체로서 감압 저항 시트(4)를 두께 방향의 양측으로부터 끼워넣도록 배치한 한 쌍의 도전성 필름(5, 6)을 사용하였으나, 이 대신, 감압 저항 시트(4)를 양측으로부터 끼워넣는 한 쌍의 도전체를 얇은 구리판 기타로 구성하도록 할 수도 있다. 또한, 감압 저항 시트(4)의 Z방향의 저항에 전류를 흘리기 위한 도전체를 감압 저항 시트(4)의 두께 방향 양측의 표면에 3개 이상 설치하도록 할 수도 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 도전성 필름(5)으로부터 전류를 흘리고, 도전성 필름(6)으로부터 전류를 빼낼 때, 도전성 필름(5)의 전압(V5)과 도전성 필름(6)의 전압(V6)과의 차(조합)로부터 접촉압을 구하고, 제1 전극부(9)로부터 전류를 흘리고, 제1 전극부(10)로부터 전류를 꺼냈을 때, 제1 전극부(9)의 전압(V9)과 제1 전극부(10)의 전압(V10)과의 차(조합)와, 어느 하나의 제1 전극부(9)의 전압(V9)과 어느 하나의 도전성 필름(6)의 전압(V6)과의 차(조합)로부터 X방향의 접촉 위치를 구하고, 또한 제2 전극부(11)로부터 전류를 흘리고, 제2 전극부(12)로부터 전류를 꺼냈을 때, 제2 전극부(11)의 전압(V11)과 제2 전극부(12)의 전압(V12)과의 차(조합)와, 어느 하나의 제2 전극부(11)의 전압(V11)과 어느 하나의 도전성 필름(6)의 전압(V6)과의 차(조합)로부터 Y방향의 접촉 위치를 구하였으나, 접촉압, X방향의 접촉 위치, Y방향의 접촉 위치를 구하는 방법은 이들에 한정되지 않으며, 예컨대 상기 실시의 경우와 반대로 도전성 필름(6)으로부터 전류를 흘리고, 도전성 필름(5)으로부터 전류를 빼낼 때, 도전성 필름(6)의 전압(V6)과 도전성 필름(5)의 전압(V5)과의 차(조합)로부터 접촉압을 구하도록 할 수도 있음은 물론이고, 또한 제1 전극부(10)로부터 전류를 흘리고, 제1 전극부(9)로부터 전류를 꺼냈을 때, 제1 전극부(10)의 전압(V10)과 제1 전극부(9)의 전압(V9)과의 차(조합)와, 제1 전극부(10)의 전압(V10)과 도전성 필름(5)의 전압(V5)과의 차(조합)로부터 X방향의 접촉 위치를 구하도록 할 수도 있음은 물론이고, 또한 제2 전극부(12)로부터 전류를 흘리고, 제2 전극부(11)로부터 전류를 꺼냈을 때, 제2 전극부(12)의 전압(V12)과 제2 전극부(11)의 전압(V11)과의 차(조합)와, 제2 전극부(12)의 전압(V12)과 도전성 필름(5)의 전압(V5)과의 차(조합)로부터 Y방향의 접촉 위치를 구하도록 할 수도 있음은 물론이다. 또한, 도 14의 실시 형태의 경우, 도전 필름(6)으로부터 전류를 흘리고, 감압 저항 시트(4)의 전극부(9, 10, 11, 12)와 접촉 위치의 도전 필름(5)으로부터 전류를 동시에 꺼냄으로써 압력 검출하고, 접촉 좌표 위치를 구하도록 하였으나, 이 대신, 도전 필름(5)으로부터 전류를 흘리고, 감압 저항 시트(4)의 전극부(9, 10, 11, 12)와 도전 필름(6)으로부터 전류를 동시에 꺼냄으로써 압력 검출하고, 접촉 좌표 위치를 구하도록 할 수도 있다. 더욱이, X방향의 접촉 위치와 Y방 향의 접촉 위치의 양방의 접촉 위치를 검출할 필요는 반드시 없으며, 어느 하나의 접촉 위치를 검출하면 되므로, 접촉압, 접촉 위치를 구하는 방법은, 요컨대 전극부(9, 10, 11, 12) 및 도전체(5, 6) 중 어느 하나로부터 전류를 흘리고, 나머지 전극부(9, 10, 11, 12) 또는 도전체(5, 6)로부터 전류를 빼낼 때, 상기 적어도 한 쌍의 전극부(9, 10, 11, 12)의 전압(V9, V10, V11, V12)과 상기 적어도 한 쌍의 도전체(5, 6)의 전압(V5, V6)과의 조합으로부터, 접촉압과, X방향의 접촉 위치 또는 Y방향의 접촉 위치 중 적어도 하나의 접촉 위치를 구하도록 하면 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는 접촉압을 구하는 접촉압 검출을 하고, X방향의 접촉 위치를 구하는 접촉 위치 검출을 하고, Y방향의 접촉 위치를 구하는 접촉 위치 검출을 하고, X방향의 접촉 길이를 구하는 접촉 길이(면적) 검출을 하고, Y방향의 접촉 길이를 구하는 접촉 길이(면적) 검출을 하였으나, 반드시 이들 5종류의 검출을 전부 할 필요는 없으며, 필요에 따라 1종 또는 복수종의 검출을 생략할 수 있고, 예컨대 접촉압을 구하는 접촉압 검출과 X방향의 접촉 위치를 구하는 접촉 위치 검출의 2개를 하도록 할 수도 있고, 접촉압을 구하는 접촉압 검출과 Y방향의 접촉 위치를 구하는 접촉 위치 검출의 2개를 하도록 할 수도 있고, 접촉압을 구하는 접촉압 검출과 X방향의 접촉 길이를 구하는 접촉 길이(면적) 검출의 2개를 하도록 할 수도 있고, 접촉압을 구하는 접촉압 검출과 Y방향의 접촉 길이를 구하는 접촉 길이(면적) 검출의 2개를 하도록 할 수도 있다. 또한, X방향의 접촉 위치를 구하는 접촉 위치 검출과 X방향의 접촉 길이를 구하는 접촉 길이(면적) 검출의 2개를 하도록 할 수도 있고, X방향의 접촉 위치를 구하는 접촉 위치 검출과 Y방향의 접촉 길 이를 구하는 접촉 길이(면적) 검출의 2개를 하도록 할 수도 있고, Y방향의 접촉 위치를 구하는 접촉 위치 검출과 X방향의 접촉 길이를 구하는 접촉 길이(면적) 검출의 2개를 하고, 또는 Y방향의 접촉 위치를 구하는 접촉 위치 검출과 Y방향의 접촉 길이를 구하는 접촉 길이(면적) 검출의 2개를 하도록 할 수도 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 감압 저항 시트(4)의 네 코너부에 제1 전극(A)과 제2 전극(B)과 제3 전극(C)과 제4 전극(D)을 각각 설치하고, 이들 전극(A, B, C, D)에 의해 감압 저항 시트(4)에 X방향으로 전류를 흘리기 위한 한 쌍의 제1 전극부(9, 10)와 감압 저항 시트(4)에 Y방향으로 전류를 흘리기 위한 한 쌍의 제2 전극부(11, 12)를 구성하였으나, 감압 저항 시트(4)에 X방향으로 전류를 흘리기 위한 한 쌍의 제1 전극부(9, 10) 및 감압 저항 시트(4)에 Y방향으로 전류를 흘리기 위한 한 쌍의 제2 전극부(11, 12)는 이러한 구성의 것에 한정되지 않으며, 예컨대 한 쌍의 제1 전극부(9, 10) 또는 한 쌍의 제2 전극부(11, 12)를 각각 1개 또는 3개 이상의 도트 전극에 의해 구성하도록 하는 것도 가능하다. 또한, 상기 실시 형태에서는 제1 전극부(9, 10) 및 제2 전극부(11, 12)의 구조로서 종래 터치 패널의 검출 방법에 사용되는 5선식 제어 방법과 동일하게 하고 있으나, 전극 구조를 바꿈으로써 5선식 이상의 7선식, 8선식의 제어 방법을 채용할 수도 있다.

또한, 상기 실시 형태의 도 11 또는 도 12에 도시한 촉각 센서 응용 장치에서는 설명의 간략화를 위하여 로봇(피 제어 장치)(1)에 장착한 복수 개의 촉각 센서(3) 중 하나의 촉각 센서(3)의 검출 출력을 바탕으로 로봇(1)의 모터 구동 회로(28)를 구동 제어하도록 하였으나, 이 대신, 복수 개의 촉각 센서(3)의 검출 출 력을 바탕으로 로봇(1)의 하나 또는 복수의 모터 구동 회로(28) 등을 구동 제어하고, 이에 따라 복수 개의 촉각 센서(3)가 복합된 검출 출력을 바탕으로 로봇(1)을 제어하도록 할 수도 있다. 또한 반대로, 로봇(피 제어 장치)(1)에 하나의 촉각 센서(3)만을 장착하고, 이 하나의 촉각 센서(3)의 검출 출력을 바탕으로 로봇(1)의 모터 구동 회로(28)를 구동 제어하도록 할 수도 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 촉각 센서(3)를 사용한 촉각 센서 응용 장치로서 로봇(1)을 구동 제어하도록 하였으나, 촉각 센서(3)를 사용한 촉각 센서 응용 장치로는 로봇(1)의 구동 제어에 한정되지 않으며, 예컨대 간병용 의자나 베드 또는 에어백 장치 등을 피 제어 장치로 하고, 이들을 촉각 센서(3)의 검출 출력을 바탕으로 제어하도록 할 수도 있다.

로봇용 촉각 센서 장치나 의자나 베드에 가해지는 압력을 검출하여 제어하는 장치로서 이용할 수 있다.

Claims

시트면을 따른 X방향 및 Y방향으로 저항을 갖는 시트로서, 시트의 두께 방향과 일치하는 Z방향으로 저항을 가짐과 아울러 두께 방향의 가압에 대응하여 Z방향의 저항이 변화하는 감압 저항 시트(4)를 구비하고,

이 감압 저항 시트(4)의 주변부에 상기 X방향의 저항 또는 Y방향의 저항 중 적어도 하나에 전류를 흘리기 위한 전극부(9, 10, 11, 12)가 적어도 한 쌍 설치되고, 감압 저항 시트(4)의 표면에 상기 Z방향의 저항에 전류를 흘리기 위한 도전체(5, 6)가 적어도 한 쌍 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 촉각 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 전극부(9, 10, 11, 12) 및 도전체(5, 6) 중 어느 하나로부터 전류를 흘리고, 나머지 전극부(9, 10, 11, 12) 또는 도전체(5, 6)로부터 전류를 빼낼 때, 상기 적어도 한 쌍의 전극부(9, 10, 11, 12)의 전압(V9, V10, V11, V12)과 상기 적어도 한 쌍의 도전체(5, 6)의 전압(V5, V6)의 조합으로부터, 접촉압과, X방향의 접촉 위치 또는 Y방향의 접촉 위치 중 적어도 하나의 접촉 위치를 구하도록 한 것을 특징으로 하는 촉각 센서.
제 2 항에 있어서, 상기 전극부(9, 10, 11, 12) 및 도전체(5, 6) 중 어느 하나로부터 전류를 흘리고, 나머지 전극부(9, 10, 11, 12) 또는 도전체(5, 6)로부터 전류를 빼낼 때, 상기 적어도 한 쌍의 전극부(9, 10, 11, 12)의 전압(V9, V10, V11, V12)을 촉각 센서에 접촉하기 전과 촉각 센서에 접촉하였을 때의 전압차를, 상기 촉각 센서에 의해 구한 접촉압과 접촉 위치에 대응한 값으로 보정하여, X방향의 접촉 길이 또는 Y방향의 접촉 길이 중 적어도 하나의 접촉 길이를 구하도록 한 것을 특징으로 하는 촉각 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 감압 저항 시트(4)는 수 킬로옴 내지 수십 메가옴의 표면 저항을 가진 필름으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 촉각 센서.
제 1 항에 기재된 촉각 센서(3)가 장착된 피제어 장치(1)와, 상기 감압 저항 시트(4)에 전위 구배를 발생시키는 전원(15)과, 상기 전극부(9, 10, 11, 12) 및 상기 한 쌍의 도전체(5, 6)의 출력 전압을 디지털 값으로 변환하는 A/D 변환기(25)를 구비하고,

상기 A/D 변환기(25)로부터의 디지털 신호를 입력하여, 상기 촉각 센서(3)에의 접촉압, 접촉 위치, X방향의 접촉 길이, 및 Y방향의 접촉 길이 중 적어도 2개를 구하고, 이 구한 접촉압, 접촉 위치, 접촉 길이를 바탕으로 상기 피 제어 장치(1)를 제어하는 제어부(27)를 구비하는 것을 특징으로 하는 촉각 센서 응용 장치.
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