WO2006106612A1

WO2006106612A1 - センサ素子、センサ装置、対象物移動制御装置、対象物判別装置

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Publication number: WO2006106612A1
Application number: PCT/JP2006/306102
Authority: WO
Inventors: Satoshi Maekawa
Original assignee: National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated Administrative Agency
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2006-10-12
Also published as: JP2006275979A; US20090044639A1; US7669480B2

Abstract

３次元的に働きかける外力を好適に検知可能なセンサ素子を提供することを目的として、本発明のセンサ素子を、対象物ＯＢから受ける外力Ｆによって圧縮又は伸張可能な弾性部材Ｅと、前記外力Ｆを受けることで変形した際に電気抵抗値が増減する抵抗素子Ｒと、前記弾性部材Ｅの内部乃至その表面に配置されるとともに所定位置にある前記抵抗素子Ｒを支持し得る支持部材Ｃ４とを具備するように構成し、このセンサ素子を、対象物移動制御装置、対象物判別装置に適用した。

Description

明細書

センサ素子、センサ装置、対象物移動制御装置、対象物判別装置技術分野

[0001] 本発明は、ロボットハンドや義手等の指先に装着し、微妙な力加減が必要な把持制御等を行う際に用いるセンサ素子及びそのセンサ素子をロボットハンド等に取り付けてなる対象物移動制御装置及び対象物を判別するための対象物判別装置に関するものである。

背景技術

[0002] 近年、宇宙開発、海底探査、被爆の恐れのある場所等のように、人間が直接作業困難な場所における各種操作を人間に代行して行わせたり、あるいは、手の不自由な方の機能を好適に補うための義手を実現したりすることなどを目的とし、人の手指を模倣した多指型ロボットハンドや義手等の研究開発がなされている。

[0003] そして、より人の手指に近い操作を実現するために、ロボットハンドや義手等の指先に装着するとともに、微妙な力加減を必要とする把持制御を実現可能なセンサ素子が巿場に供給あるいは開発されて、る。

[0004] このようなセンサ装置としては、例えば、静電容量式圧力センサ素子に設けた一対の電極間の静電容量を計測することにより、該素子に加わる把持力を制御し得るように構成した静電容量式圧力センサ装置 (例えば、非特許文献 1参照。）や、感圧導電ゴムを挟み込んだ一対の電極間の抵抗変化を検知することにより感圧導電性エラストマ一センサ素子に加わる圧力を測定し、把持力を制御し得るように構成した感圧導電性エラストマ一センサ装置があり（例えば、非特許文献 2参照。）、該センサ素子に加わる圧力を検知することにより把持力を制御するものとして知られている。

[0005] また、対象物と接触可能な振動する触覚センサを備えるとともにこの触覚センサが対象物と接触した際の振幅及び周波数変化で示される粘弾性特性を計測することにより、対象物との接触を検知し把持力を制御し得るように構成したマイクロ圧覚センサ装置 (例えば、非特許文献 3参照。）も、該センサ装置と対象物との接触を検知することにより、把持力を制御するものとして知られている。 [0006] そして、弾性体内部に設けた球状空洞の変化を超音波の共鳴現象を利用して検知することにより、弾性体に加わる圧力を検知して把持制御可能にした共鳴型テンソルセル触感センサ装置や (例えば、非特許文献 4参照。）、把持対象物とセンサ素子との間に生じる局所滑りを検出可能なひずみゲージを分散配置した接触面局所滑りセンサ素子により把持力を制御し得るように構成した分散型接触センサ装置が知られている（例えば、非特許文献 5参照。 )₀

非特許文献 1 : "T— 2000適応アレイ型触感センサー"、 [online]、有限会社シスコムホームページ、 [平成 14年 11月 27日検索]、インターネットく URL： http： //w ww. syscom— inc. co. jp/ pps― array, pdf >

非特許文献 2 : "イナストマー"、 [online]、イナバゴム株式会社ホームページ、 [平成 14年 11月 27日検索]、インターネットく URL:http :ZZwww. inaba -rubber, c o. jp/katarogu/ mast/ mast. html>

非特許文献 3 : "マイクロ触覚センサカテーテルの研究"、 [online] , 1999. 12. 1、ォリンパス光学工業株式会社ホームページ、 [平成 14年 11月 27日検索]、インター / <URL :http :Z / www. olympus. co. jpZ Special/ OTF80/ mskt. ht ml

非特許文献 4:中島孝、 "TORAOの研究テーマについて"、 [online] ,東京農工大学篠田研究室ホームページ、 [平成 14年 11月 27日検索]、インターネットく URL :h ttp : / Z www. alab. t. u— tokyo. ac. jp/〜smnolabz members/ torao/ enkyu/ kenkyul . htm

非特許文献 5 : "把持力制御のための分散型触覚センサ"、 [online]、慶應義塾大学理工学部機械工学科前野研究室ホームページ、 [平成 14年 11月 27日検索]、インタ' ~~ネットく iJRL： http： / / www. maeno. mecn. keio. ac. jp/ sensor2/ sen sor2. htm

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、従来の上述のようなセンサ装置は、例えば、対象物へ所定の方向に加わる圧力であれば、好適にその圧力の大きさを検出できるものの、その所定の方向以外の方向に加わる圧力である場合には、その方向性を特定することが困難である。特に、対象物を伸張させる方向に働きかけるカを検知することは甚だ困難である

[0008] すなわち、静電容量式圧力センサ装置では、その装置に加わる圧力力一対の電極間の距離を近接させたりある、は離間させたりすると、つた一対の電極に垂直方向に働くものであれば、その圧力を好適に検知することはできるものの、一対の電極に斜め方向から加わるものであれば、精度よく圧力を検知できず、好適な把持制御を行えな、と、つた課題を有して、る。

[0009] そして、感圧導電性エラストマ一センサも同様に、感圧導電ゴム挟み込んだ一対の電極間に加わる方向によっては、精度よく加わる圧力を検知できず、好適な把持制御を行えな、と、つた課題を有して、る。

[0010] また、マイクロ圧覚センサ装置は、対象物の表面状態によっては把持制御が困難となる場合ちある。

[0011] さらに、共鳴型テンソルセル触感センサでは、超音波の送受信を必要とするため、分布型センサを構成することが困難であり、分散型接触センサでは、対象物を 3次元的に制御を行うためには、装置が大型化してしまい小型化が困難であるといった課題を有している。

[0012] また、上述のセンサ装置に共通してセンサ部分が非常に敏感で破損しやすいといつた課題を有している。

[0013] そこで、本発明は、上述する問題を解決することを主たる課題とするものである。

課題を解決するための手段

[0014] すなわち、本発明のセンサ素子は、対象物力受ける外力により圧縮又は伸張可能な弾性部材と、前記外力を受け変形した際に電気抵抗値が増減する抵抗素子と、前記弾性部材の内部乃至その表面に配置されるとともに所定位置にある前記抵抗素子を支持し得る支持部材とを具備することを特徴とする。

[0015] このような構成によれば、センサ素子に圧縮又は伸張する向きに外力が加わった場合、その外力を受けて変形した抵抗素子の電気抵抗値が増減するため、その電気抵抗値を測定すれば 3方向の力を同時に計測可能となる。また、このとき、支持部材が所定位置にある抵抗素子を支持しているので、例えば、不意の外力が抵抗素子に加わった場合でもその抵抗素子が破損するといつた不具合を低減させることができる

。すなわち、外力から保護しつつその外力を精度よく 3次元的に計測可能な耐損傷性、耐衝撃性に優れた高性能なセンサ素子を提供することができる。

[0016] なお、精度よく外力を測定するためには、前記支持部材が前記外力により変形可能な変形可能要素を備え、この変形可能要素に前記抵抗素子を支持させていることが好ましい。また、前記支持部材が、前記変形可能要素の周囲に前記外力によって変形し得な!、変形不能要素を備えて、るものであれば、抵抗素子を外力からより確実に保護することが可能となる。

[0017] また、本発明の望ましい態様としては、前記変形不能要素が、四辺力もなる平面視略矩形状を成す枠体状の外壁部材であり、前記変形可能要素が、前記外壁部材の四辺に架け渡した梁部材であるものが挙げられる。

[0018] なお、 3次元的に加わる外力を好適に検知するためには、前記支持部材が、所定方向に突出する突出部材を備えて、ることが好ま、。

[0019] また、精度よく外力を測定する他の方法としては、前記抵抗素子を、前記支持部材近傍の前記弾性部材に配置しているものが挙げられる。

[0020] さらに、前記抵抗素子を複数配置することによりホイートストンブリッジ回路を形成すれば、簡単な構成で高感度に外力を測定可能となる。

[0021] 一方、薄型で高性能な分布型センサを構成するためには、前記支持部材を、前記弾性部材に複数配置し、さらに、その支持部材を、アレイ状に複数配置すればよい。

[0022] ところで、センサ素子に加わる外力を分析するセンサ装置の望ましい態様としては、そのセンサ装置に、前記センサ素子と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段とを具備するものが挙げられる。

[0023] そして、前記電気特性測定手段で測定した抵抗素子の電気抵抗値に基づき、前記弾性部材の変形後の形状を推定する形状推定手段を具備すれば、外力により変形した導電性弾性部材の形状を推定することができる。 [0024] また、前記形状推定手段で推定した弾性部材の形状を、前記電気抵抗値に基づき 3次元的に画面表示する 3次元表示手段を具備すれば、外力により変形した弾性部材の形状をより具体的に知ることができる。

[0025] また、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段を備えるとともに、前記対象物の表面状態又は組成を示す対象物データを格納する対象物判別データ格納手段を備え、前記対象物判別手段が、前記対象物判別データ格納手段に格納して!/、る対象物データを参照することにより、対象物の表面状態又は組成を判別するように構成すれば、対象物の表面状態や組成を好適に知ることもできる。

[0026] ところで、上述のようなセンサ素子を用いて所望の位置に対象物を移動制御するためには、対象物移動制御装置に、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物に対する接触手段の 3次元的な位置を制御する第 1位置制御手段とを備えることが望ましい。このとき、前記接触手段が、人間の手指を模倣した形状を有することが望まれる。

[0027] また、上述のようなセンサ素子を用いて対象物を判別するためには、対象物判別装置に、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段と、前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を所定方向へ移動させる第 2位置制御手段とを備え、前記第 2位置制御手段が前記接触手段を前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を移動させた際に、前記外力分析手段で分析される外力情報に基づき、前記対象物判別手段が前記対象物の表面状態又は組成を判別するように構成したものが好ましい。

発明の効果

[0028] 以上に詳述した本発明によれば、センサ素子に圧縮又は伸張する向きに外力が加わった場合、その外力を受けて変形した抵抗素子の電気抵抗値が増減するため、その電気抵抗値を測定すれば 3方向の力を同時に計測可能となる。また、このとき、支持部材が所定位置にある抵抗素子を支持しているので、例えば、不意の外力が抵抗素子に加わった場合でもその抵抗素子が破損するといつた不具合を低減させることができる。すなわち、外力から保護しつつその外力を精度よく 3次元的に計測可能な耐損傷性、耐衝撃性に優れた高性能なセンサ素子を提供することができる。

[0029] また、上述のセンサ素子を利用すれば、対象物を好適に把持制御可能な対象物移動制御装置を実現したり、あるいは、対象物の表面状態又は組成を好適に判断し得る対象物判別装置を実現したりすることもできる。

図面の簡単な説明

[0030] [図 1]本発明の実施形態におけるセンサ装置の全体構成を示す図。

[図 2]同実施形態におけるセンサ素子を模式ィ匕して示す概略図。

[図 3]同実施形態における抵抗素子の取付態様を模式ィ匕して示す概略図。

[図 4]同実施形態におけるセンサ素子の概略断面図。

[図 5]同実施形態におけるセンサ装置本体の内部機器構成図。

[図 6]同実施形態における全体の機器の機能を示す機能構成図。

[図 7]本発明の実施形態におけるセンサ装置の全体構成を示す図。

[図 8]同実施形態におけるセンサ装置本体の動作を示すフロー図。

[図 9]同実施形態におけるセンサ装置本体の動作を示すフロー図。

[図 10]同実施形態における抵抗素子の結線を示す図。

発明を実施するための最良の形態

[0031] 以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。

[0032] 本発明のセンサ装置 Pは、図 1に示すように、対象物 OBを移動させたりその表面や組成を判別させたりするためにその対象物 OBと接触させてなる接触手段たるロボットハンド RHと、このロボットハンド RHの各指の腹に取り付けたセンサ素子 Sと、そのに加わる外力 Fにより変化する電気特性を測定分析するとともに、その分析結果に基づき前記ロボットハンド RHを所定動作させる図示しないセンサ装置本体 P1とを具備する。

[0033] 以下、各部を詳述する。前記ロボットハンド RHは、前記センサ装置本体 P1から受ける制御信号に基づき、前記対象物 OBを所望の位置へ移動制御されるものであつて、本実施形態では、人の手指を模倣した形状を有している。

[0034] 前記センサ素子 Sは、図 2に示すように、前記外力 Fにより圧縮又は伸張可能な平面視矩形状をなす薄板状の弾性部材 Eと、前記外力 Fを受け変形した際に電気抵抗値が増減するピエゾ抵抗効果を有する半導体から成る抵抗素子 Rと、前記弾性部材内部の隅部に配置され前記抵抗素子を前記外力 Fから保護する支持部材 Cとを具備するものである。

[0035] より具体的に、前記支持部材 Cは、図 3に示すように、四辺力なる枠状の外力により変形不能な変形不能要素たる外壁部材 C1と、前記外壁部材 C1の各辺に囲まれるように配置した平面視略矩形状の外力により変形可能な変形可能要素たる中央部材 C2と、前記外壁部材 C1の各辺の略中央部力前記中央部材 C2に掛け渡してなる外力により変形可能な変形可能要素たる 4本の梁部材 C31、 C32、 C33、 C34 (以下、「梁部材 C3」と総称する。）と、前記中央部材 C2の略中央部から起立させ且つ前記弾性部材の表面 Efに上端面 C4fが露出するように突出させてなる円柱形状をなす突出部材 C4とを備えてなる。また、前記外壁部材 Cl、中央部材 C2及び梁部材 C 3を、前記弾性部材 Eより剛性の大きい例えば合成樹脂等の素材により一体に形成している。そしてこのように形成したものを 1ユニットとし、 4つのユニットを前記弾性部材 E内の各隅部に配置した構成としている。なお、本実施形態では、前記突出部材 C4 を、前記中央部材 C2と同一の素材で形成するようにしているが、例えば、金属素材で構成するなど、前記弾性部材 Eよりも大きな剛性を有するものであればこれに限られるものでない。

[0036] また、各ユニットにおいて、外力 Fが加わらない際には、図 4 (a)に示すように、該支持部材 Cのロボットハンド反取付側において前記外壁部材 C1、前記中央部材 C2及び前記梁部材 C3の各ロボットハンド反取付面 Cla、 C2a、 C3aが略面一を成すように構成している。

[0037] また、図 3に示すように、梁部材 C3のロボットノヽンド反取付面 C3aに抵抗素子をそれぞれ 2個ずつ配置している。すなわち、梁部材 C31に抵抗素子 RX1と RX2とを配置し、梁部材 C32に抵抗素子 RX3と RX4とを配置し、梁部材 C33に抵抗素子 RY1 と RY2とを配置し、梁部材 C34に抵抗素子 RY3と RY4とを配置してヽる。

[0038] そしてさらに、図示しない線材により結線した抵抗素子 RX1、 RX2、 RX3、 RX4と抵抗素子 RY1、 RY2、 RY3、 RY4とがそれぞれ図 10に示すようなホイートストンブリッジを形成するように構成することにより、図 3等に示す X、 Y、 Ζ軸方向から加わる外力を好適に検知できるようにしている。より具体的には、例えば、図 4 (b)に示すように、センサ素子 Sが外力 Fを受けると、この外力 Fによって突出部材 C4も移動する。そしてこの外力 Fによって移動させられた突出部材 C4は、中央部材 C2に取り付けられているので、これ〖こよって中央部材 C2も移動させられることとなる。し力して外力 Fによつて移動させられた中央部材 C2と外力 Fによって変形しない外壁部材 C1との間の距離が変化することとなり、それら中央部材 C2と外壁部材 C1との間に架け渡されている梁部材 C3が変形し、この梁部材 C3に取り付けられている抵抗素子 Rも変形する。このようにして、抵抗素子 RX1及び RX3の電気抵抗値が増加し、抵抗素子 RX2及び RX4の電気抵抗値が減少する。一方、図 4 (b)に示すように、外力 Fを受けることにより、前記中央部材 C2がロボットハンド反取付側へ移動する方向に位置付けられると、それに伴い同様にして梁部材 C3が変形し、その梁部材 C3に取り付けている抵抗素子 Rも変形する。このようにして、抵抗素子 RX2及び RX3の電気抵抗値が増加し、抵抗素子 RX1及び RX4の電気抵抗値が減少する。このように前記弾性部材 Εに外力 Fが加わり梁部材 C3に配置した抵抗素子 Rが変形すると、その外力 Fを受けた抵抗素子 Rの電気抵抗値が変化するため、この電気抵抗値の変化に基づき該センサ素子 Sに加わる外力を X、 Υ、 Ζ軸方向成分に分けて分析することが可能となる。

[0039] 前記センサ装置本体 P1は、例えば、パソコンやワークステーション等の一般的な情報処理機能を有したコンピュータであり、図 5に示すように、 CPU101、内部メモリ 10 2、 HDD等の外部記憶装置 103、前記センサ素子 Sに電力を印加するとともに前記ロボットハンド RHの位置制御を行うための通信インタフェース 104、ディスプレイ 105 、マウスやキーボードと、つた入力手段 106等を具備して、る。

[0040] そして、本実施形態では、図 6に示すように、センサ装置本体 P1に、所定のプログラムをインストールし、そのプログラムに基づいて前記 CPU101や周辺機器を協働させることにより、このセンサ装置本体 P1が、電気特性測定手段 11、外力分析手段 12 、第 1位置制御手段 13、対象物判別データ格納手段 14、対象物判別手段 15、第 2 位置制御手段 16、形状推定手段 17、 3次元表示手段 18等としての機能を具備するように構成している。

[0041] より具体的には、前記電気特性測定手段 11は、前記センサ素子 Sに備えた抵抗素子 Rの電気抵抗値を測定するものである。なお、本実施形態では、前記抵抗素子 R の各電気抵抗値は、図 10に示すホイートストンブリッジの Ra— Rb間及び Rc— Rd間の電圧を測定することにより、それら電気抵抗値を測定するように構成している。

[0042] 前記外力分析手段 12は、前記電気特性測定手段 11で測定した電圧を分析して得た抵抗素子 Rの電気抵抗値に基づき、前記外力 Fの大きさや方向等その外力 Fに関する外力情報を分析するものである。さらに詳述すると、例えば、抵抗素子 RX1及び RX3の電気抵抗値が増加し、抵抗素子 RX2及び RX4の電気抵抗値が減少してヽれば、図 4 (b)に示すような方向に外力 Fが加わっていると分析する。また、抵抗素子 RX2及び RX3の電気抵抗値が増加し、抵抗素子 RX1及び RX4の電気抵抗値が減少してヽれば、中央部材 C2がロボットハンド反取付側へ移動する方向に外力 Fが加わっていると分析する。

[0043] 前記第 1位置制御手段 13は、前記外力分析手段 12で分析された外力情報に基づき、前記対象物 OBに対する接触手段の 3次元的な位置を制御するものである。

[0044] 前記対象物判別データ格納手段 14は、前記対象物 OBの表面状態又は組成を示す対象物データを格納するものであって、前記内部メモリ 102又は外部記憶装置 10 3の所定領域に形成している。より具体的には、対象物 OBたる絹、麻、ウールといつた各種繊維の表面状態を示す動摩擦係数を、例えば、ロボットハンド RHの移動速度を lmmZsec、ロボットハンド RHがその対象物 OBに加える荷重を 50gfとして予め測定し、その測定した動摩擦係数を対象物データたる参照動摩擦係数として格納している。なお、この対象物判別データ格納手段 14に格納する対象物データは、動摩擦係数に限らず静摩擦係数やその他対象物の表面状態や組成を示すものであれば、本実施形態に限られるものではない。また、インターネットを介して入手したりあるいは CD— ROMで頒布されるものから入手するといつた実施態様も考えられる。

[0045] 前記対象物判別手段 15は、前記外力分析手段 12で分析された外力情報及び前記対象物判別データ格納手段 14に格納している対象物データたる参照動摩擦係数に基づき、前記対象物 OBの表面状態又は組成を判別するものである。より具体的には、ロボットハンド RHの移動速度を lmmZsec、ロボットハンド RHがその対象物 OB に加える荷重を 50gfとして測定した測定動摩擦係数を、前記参照動摩擦係数と所定の関係にある力否かを判定し、所定の関係にあればその参照動摩擦係数の示す表面状態を、測定した対象物 OBの表面状態として判別する。

[0046] 前記第 2位置制御手段 16は、図 7に示すように、前記センサ素子 Sを前記対象物 O Bの表面に接触させながら前記ロボットノヽンド RHを所定方向へ移動させるものである。なお、本実施形態では、前記対象物判別手段 15で測定する対象物 OBの表面状態を判別する際には、前記ロボットハンド RHをその移動速度が lmmZsec、その口ボットハンド RHがその対象物 OBにカ卩える荷重が 50gfとなるように制御する。

[0047] 前記形状推定手段 17は、前記外力分析手段 12で分析された外力情報に基づき、前記弾性部材 Eの変形後の形状を推定するものである。

[0048] 前記 3次元表示手段 18は、前記形状推定手段 17で推定した弾性部材 Eの形状を、前記抵抗素子 Rの抵抗変化に基づき 3次元的に画面表示するものであって、前記ディスプレイ 105等を利用して構成している。

[0049] 次に、以上のように構成されるセンサ装置 Pを用いたシステムの動作にっ、て図 8 及び図 9に示すフロー図等を用いて説明する。

[0050] なお、本実施形態のセンサ装置 Pを構成するは、図 1に示すように、ロボットハンド R Hの親指 RH1と人差し指 RH2の腹側に取り付けられるとともに図示しない接続ケーブルでセンサ装置本体 P1に接続されるものとし、さらにこのセンサ装置 Pを対象物移動制御装置として機能させるものとして説明を行う。

[0051] まず、第 1位置制御手段 13が、ロボットハンド RHの両指で対象物たるブロック OB をつまむベぐそのロボットハンド RH及び両指 RH1、 RH2の位置を制御する（ステツプ S101)。そしてロボットハンド RHに取り付けたセンサ素子 Sがブロック OBに当接すると、センサ素子 Sに外力 Fが加わり、図 4 (b)又は（c)に示すように抵抗素子 Rが変形し、その電気抵抗値が変化する。このように、抵抗素子 Rの電気抵抗値が変化すれば、前記センサ装置本体 P1の電気特性測定手段 11が、電気抵抗値に変化があつたことを検知する。そして、前記外力分析手段 12が、前記電気特性測定手段 11で測定した抵抗素子 Rの電気抵抗値に基づき、前記外力 Fの大きさや方向等その外力 Fに関する外力情報を分析し (ステップ S102)、前記第 1位置制御手段 13が、前記外力分析手段 12で分析された外力情報に基づき、前記対象物 OBに対するロボットハンド RH及び指 RH1、 RH2の 3次元的な位置を制御する（ステップ S101)。より具体的に、この第 1位置制御手段 13は、例えば、対象物 OB力受ける外力 Fが所定の値より小さければ、対象物 OBに指を近づけ、一方、大きければ対象物 OBから遠ざけるといった制御を行う。このことにより、より人間の把持動作に近い制御を実現している。このようにして、該センサ装置 Pを、ブロック OBを好適に把持制御可能な対象物移動制御装置として機能させることができる。

[0052] また、該センサ装置 Pを対象物判別装置として機能させる際には、図 7に示すように、水平面に載置する対象物 OBたる繊維の表面に対し,前記ロボットハンド RHに取り付けたセンサ素子 Sを摺動させれば、その繊維の表面状態又は組成を判別することちでさる。

[0053] 具体的には、まず、センサ装置本体 P1の第 2位置制御手段 16が、ロボットハンド R Hの指で前記繊維の表面を撫でるベぐそのロボットノヽンド RH又は指の位置を摺動制御する (ステップ S201)。すると、センサ素子 Sに前記繊維の表面力も受ける外力 Fが加わり、図 4 (b)又は (c)に示すように抵抗素子 Rが変形し、それに伴い各抵抗素子 Rにおける電気抵抗値が変化する。

[0054] このように、抵抗素子 Rの電気抵抗値が変化し、前記センサ装置本体 P1の電気特性測定手段 11が、電気抵抗値に変化があったことを検知すると、前記外力分析手段 12が、前記電気特性測定手段 11で測定した抵抗素子 Rの電気抵抗値に基づき、前記外力 Fの大きさや方向等その外力 Fに関する外力情報を分析し (ステップ S 202)、前記対象物判別手段 15が、前記外力分析手段 12で分析された外力情報及び前記対象物判別データ格納手段 14に格納している対象物データたる参照動摩擦係数に基づき、前記対象物 OBの表面状態又は組成を判別する (ステップ S203)。このようにして、該センサ装置 Pを、対象物 OBの表面状態又は組成を好適に判断し得る対象物判別装置として機能させることができる。また、該センサ装置本体 P1を前記電気特性測定手段 11で測定した抵抗素子 Rの電気抵抗値に基づき、前記弾性部材 Eの変形後の形状を推定するステップと、前記形状推定手段 17で推定した前記弾性部材 Eの変形後の形状を、前記 3次元表示手段 18がディスプレイ 105に表示するステップとして機能させれば、より具体的に対象物 OBを認識することもできる。

[0055] 以上に詳述したように、本実施形態のセンサ素子 Sは、弾性部材 Eに備えた支持部材 Cの梁部材 C3に抵抗素子 Rを支持させ、且つ、支持部材 Cの中央部材 C2から突出部材 C4を突出させて、るので、該センサ素子 Sに圧縮又は伸張する向きに外力 F が加わった場合、その外力 Fによって抵抗素子 Rが変形し、変形した抵抗素子 Rの電気抵抗値 Sが増減するため、その電気抵抗値を測定すれば 3方向の力を同時に精度よく計測することができる。また、このとき、抵抗素子 Rを支持する梁部材 C3は、外力 Fにより変形しない外壁部材 C1に周囲を包囲されているので、その抵抗素子 Rは、その外壁部材 C1によって外力 Fから好適に保護される。すなわち、外力 Fから保護しつつ該センサ素子 Sに加わる外力を精度よく 3次元的に計測可能な耐損傷性、耐衝撃性に優れた高性能なセンサ素子 Sを提供することができる。

[0056] また、このようなセンサ素子 Sを利用すれば、対象物 OBを好適に把持制御可能な対象物移動制御装置を実現したり、あるいは、対象物 OBの表面状態又は組成を好適に判断し得る対象物判別装置を実現したりすることもできる。

[0057] なお、センサ素子 Sをロボットハンド RHに取り付けるものとして説明した力そのセンサ素子 Sを対象物に取り付けるなど、実施態様に応じて取付場所及びその個数は適宜設定可能である。

[0058] また、抵抗素子 Rを、梁部材 Cの梁部材 C3に配置するように構成している力図 3 に示すような、外壁部材 C1と中央部材 C2と梁部材 C3とで囲まれる弾性部材 Eに設けた弾性部材変形領域 Bに配置することもできる。 [0059] また、突出部材 C4の上端面 C4fを弾性部材 Eの表面 Efに露出させて、外力 Fを感度よく検知し得るように構成して、るが、上端面 C4fを表面 Efに露出させな、実施態様も考えられる。

[0060] さらに、複数のユニットを弾性部材内でアレイ状に配置すれば、薄型で高性能な分布型センサを実現することができる。

[0061] その他、本発明は以上に詳述した図示例に限られず、種々の変形が可能である。

産業上の利用可能性

[0062] 本発明のセンサ素子は、対象物を好適に把持制御可能な対象物移動制御装置や、対象物の表面状態又は組成を好適に判断し得る対象物判別装置の実現に利用できる。

Claims

請求の範囲

[I] 対象物力受ける外力により圧縮又は伸張可能な弾性部材と、前記外力を受け変形した際に電気抵抗値が増減する抵抗素子と、前記弾性部材の内部乃至その表面に配置されるとともに所定位置にある前記抵抗素子を支持し得る支持部材とを具備することを特徴とするセンサ素子。

[2] 前記支持部材が前記外力により変形可能な変形可能要素を備え、この変形可能要素に前記抵抗素子を支持させていることを特徴とする請求項 1記載のセンサ素子。

[3] 前記支持部材が、前記変形可能要素の周囲に前記外力によって変形し得ない変形不能要素を備えていることを特徴とする請求項 2記載のセンサ素子。

[4] 前記変形不能要素が、四辺からなる平面視略矩形状を成す枠体状の外壁部材であり、前記変形可能要素が、前記外壁部材の四辺に架け渡した梁部材であることを特徴とする請求項 3記載のセンサ素子。

[5] 前記支持部材が、所定方向に突出する突出部材を備えていることを特徴とする請求項 1乃至 4いずれか記載のセンサ素子。

[6] 前記抵抗素子を、前記支持部材近傍の前記弾性部材に配置して!/、ることを特徴とする請求項 1乃至 5いずれか記載のセンサ素子。

[7] 前記抵抗素子を複数配置することによりホイートストンブリッジ回路を形成していることを特徴とする請求項 1乃至 6いずれか記載のセンサ素子。

[8] 前記支持部材を、前記弾性部材に複数配置して!/、ることを特徴とする請求項 1乃至 7

V、ずれか記載のセンサ素子。

[9] 前記支持部材を、アレイ状に複数配置したことを特徴とする請求項 1乃至 8いずれか記載のセンサ素子。

[10] 請求項 1乃至 9 、ずれか記載のセンサ素子を用いて、そのセンサ素子に加わる外力を分析するための装置であって、前記センサ素子と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段とを具備することを特徴とするセンサ装置。

[I I] 前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記弾性部材の変形後の形状を推定する形状推定手段を具備することを特徴とする請求項 10記載のセンサ装置。

[12] 前記形状推定手段で推定した弾性部材の形状を、前記電気抵抗値に基づき 3次元的に画面表示する 3次元表示手段を具備することを特徴とする請求項 10又は 11記載のセンサ装置。

[13] 前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段を備えることを特徴とする請求項 10乃至 12いずれか記載のセンサ装置。

[14] 前記対象物の表面状態又は組成を示す対象物データを格納する対象物判別データ格納手段を備え、前記対象物判別手段が、前記対象物判別データ格納手段に格納している対象物データを参照することにより、対象物の表面状態又は組成を判別することを特徴とする請求項 13記載のセンサ装置。

[15] 請求項 1乃至 9いずれか記載のセンサ素子を用いて所望の位置に対象物を移動制御させるための装置であって、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物に対する接触手段の 3次元的な位置を制御する第 1位置制御手段とを備えることを特徴とする対象物移動制御装置。

[16] 前記接触手段が、人間の手指を模倣した形状を有するものであることを特徴とする請求項 15記載の対象物移動制御装置。

[17] 請求項 1乃至 9いずれか記載のセンサ素子を用いて対象物を判別するための装置であって、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段と、前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を所定方向へ移動させる第 2位置制御手段とを備え、前記第 2 位置制御手段が前記接触手段を前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を移動させた際に、前記外力分析手段で分析される外力情報に基づき、前記対象物判別手段が前記対象物の表面状態又は組成を判別することを特徴とする対象物判別装置。