WO2013065219A1 - 複合デバイスとロボットハンド駆動制御装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a composite device and a robot hand drive control device including the composite device.
- Patent Document 1 As a gripping sensor used when gripping an object to be gripped, such as a robot hand, one having a distance sensor and a tactile sensor is known as disclosed in Patent Document 1, for example.
- the tactile sensor disclosed in Patent Document 2 includes a stacked portion including a first layer and a second layer arranged in order from the substrate side on the substrate, and the first layer and the second layer as the second layer. It has the standing part formed by bending to the side, and the detection means for detecting the deformation
- Each of the stacked portion and the standing portion includes a plurality of layers having different lattice constants, and the first layer and the second layer are bent by a force generated by a difference in lattice constants in the plurality of layers.
- the laminated part and the upright part are covered with a film, and when a force is applied to the film, the upright part is deformed.
- the detection means an element that detects the deformation of the upright portion based on the piezoresistance effect or the change in the capacitance between the electrodes can be employed.
- Patent Document 1 a visual sensor that detects a distance of a grasped object by imaging is adopted as a distance sensor, and this visual sensor is connected to a base portion of a robot hand.
- the tactile sensor is provided at the fingertip of the robot hand so that the force applied to the fingertip can be detected. That is, the distance sensor and the tactile sensor are provided separately.
- the distance sensor and the tactile sensor must be provided separately, and the number of parts is large, so that it is difficult to reduce the size of the physique. In addition, it has been difficult to reduce manufacturing costs.
- JP 2004-294001 A Japanese Patent No. 4403406
- This disclosure aims to provide a gripping sensor and a robot hand drive control device that can reduce the number of parts.
- the composite device includes a thick part, a hollow part surrounded by the thick part, and a membrane formed on the thick part by bridging the hollow part. And a plurality of piezoelectric elements stacked in the order of a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode on one surface of the membrane opposite to the thick part, and the piezoelectric elements are electrically connected to each other.
- a part of the piezoelectric elements is separated and has a protrusion made of an electrically insulating material, the protrusion is formed on the upper electrode, and the piezoelectric element is laminated with the piezoelectric element.
- a vertical pressure detection element for detecting a vertical pressure applied in the vertical direction is provided, and the plurality of piezoelectric elements further include an ultrasonic element that performs at least one of transmission of ultrasonic waves and reception of ultrasonic waves. And the ultrasonic element is the vertical pressure detecting element.
- The is another piezoelectric element, ultrasonic devices, in the horizontal direction orthogonal to the vertical direction, it is provided on at least the cavity portion of the substrate.
- a plurality of piezoelectric elements are formed on the membrane, and a part of the piezoelectric elements is caused to function as a vertical pressure detecting element, and at least a part of the piezoelectric elements excluding the vertical pressure detecting element is used as an ultrasonic element.
- an ultrasonic sensor as a distance sensor
- a vertical pressure detection element as a tactile sensor as gripping sensors.
- the size of the physique can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
- the robot hand drive control device includes the composite device according to the first aspect of the present disclosure having the ultrasonic transmission element and a plurality of the ultrasonic reception elements, and the ultrasonic transmission.
- Distance calculation for calculating the distance to the object to be gripped by the robot hand based on time information until the ultrasonic wave is transmitted from the element and the reflected wave of the ultrasonic wave is received by the ultrasonic wave receiving element
- the entity image calculating means for calculating the position and size of the object to be grasped, the distance calculated by the distance calculating means, and the hardness calculating means Calculated in Gripping control means for controlling the driving of a robot hand for gripping the gripping object using the measured hardness and the position and size calculated by the entity image calculating means, and the vertical pressure detecting element Based on the detection signal, the vertical pressure calculation means for calculating the vertical pressure at the time when the drive control by the grip control means is completed, and the vertical pressure calculated by the vertical pressure calculation means, Gripping correction means for feedback-controlling the gripping state of the gripping object.
- the robot hand drive control device not only the distance to the gripping object but also the hardness of the gripping object can be calculated. For this reason, the object to be grasped can be grasped at a pressure or speed corresponding to the calculated hardness. In addition, since the position and size of the gripping object can be calculated, the gripping object can be gripped with high accuracy. Also, it is possible to calculate the vertical pressure and correct (feedback control) the gripping state of the gripping object by the robot hand based on the calculated vertical pressure.
- the robot hand drive control device includes the composite device according to the first aspect of the present disclosure having the ultrasonic transmission element and the plurality of ultrasonic reception elements, and the horizontal direction.
- the another piezoelectric element is provided next to the vertical pressure detecting element, and the vertical pressure detecting element and the another piezoelectric element adjacent to each other provide a shearing force detecting element, and the shearing force detecting element includes: At least the upper electrode detects the shearing force applied in the horizontal direction as a change in capacitance value, and an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic wave transmitting element, and a reflected wave of the ultrasonic wave is received by the ultrasonic wave receiving element.
- Distance calculating means for calculating the distance to the grasped object to be grasped by the robot hand based on the time information until the operation is performed, the time information, and the reaction received by the ultrasonic receiving element. Based on the amplitude information indicating the amplitude of the wave, based on the phase difference information indicating the phase difference of the reflected wave received by the plurality of ultrasonic receiving elements, hardness calculation means for calculating the hardness of the gripping object, Entity image calculating means for calculating the position and size of the grasped object, the distance calculated by the distance calculating means, the hardness calculated by the hardness calculating means, and the entity image calculating means.
- the grip control means for controlling the driving of the robot hand for gripping the gripping object using the determined position and size, and the drive control by the grip control means based on the detection signal of the vertical pressure detection element
- Vertical pressure calculating means for calculating a vertical pressure at the time when the gripping control means is completed, and the horizontal direction at the time when drive control by the gripping control
- the object to be grasped can be grasped at a pressure or speed corresponding to the calculated hardness.
- the gripping object can be gripped with high accuracy.
- the shear force can be calculated. For this reason, it is possible to more accurately correct (feedback control) the gripping state of the gripping object by the robot hand based on the above-described vertical pressure and shearing force.
- FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a gripping sensor according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
- FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the robot hand drive control device including the gripping sensor shown in FIG.
- FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for gripping a gripping object by a robot hand
- FIG. 5 is a plan view showing a modification of the gripping sensor
- FIG. 6 is a plan view showing a modification of the gripping sensor
- FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a gripping sensor according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
- FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the robot hand drive control device including the gripping sensor shown in FIG.
- FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for gripping a gripping object by a robot hand
- FIG. 7 is a plan view showing a schematic configuration of a region A1 in the gripping sensor according to the second embodiment.
- FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
- FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of the shear force detecting element.
- FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of the robot hand drive control device including the gripping sensor shown in FIG.
- FIG. 11 is a flowchart showing a procedure for gripping a gripping object by a robot hand
- FIG. 12 is a plan view showing a modification of the gripping sensor
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing another modification of the grip sensor, and this cross-sectional view corresponds to the line XIII-XIII in FIG.
- the composite device First, the composite device will be described. Here, the composite device is used when grasping or pushing an object. Furthermore, among the composite devices, there is a gripping sensor used when gripping an object.
- a piezoelectric element 30 is formed on a substrate 12, and the piezoelectric element 30 includes a vertical pressure detecting element 40 and an ultrasonic element 42.
- the substrate 12 includes a thick portion 14, a hollow portion 16 surrounded by the thick portion 14 in the horizontal direction, and a membrane 18 formed on the thick portion 14 by bridging the hollow portion 16. And the part which bridge
- the substrate 12 is an SOI in which a semiconductor layer 24 made of single crystal silicon is disposed on a support substrate 20 made of single crystal silicon via an insulating film 22 such as silicon oxide. (Silicon On On Insulator) substrate and an insulating film 26 such as silicon oxide formed on the surface of the semiconductor layer 24 opposite to the insulating film 22.
- the cavity 16 has the supporting substrate 20 and the insulating film 22 with the semiconductor layer 24 at the bottom. It penetrates and opens on the back surface 12 b of the substrate 12.
- Such a cavity 16 can be formed by etching the substrate 12 from the back surface 12b side by a known method.
- the semiconductor layer 24 and the insulating film 26 form the membrane 18 and bridge the cavity 16. Therefore, in the horizontal direction, the portions of the support substrate 20 and the insulating film 22 that surround the cavity 16 are the thick portions 14. Further, the portion where the thick portion 14 is formed in the substrate 12 includes the thick portion 14 and the membrane 18 positioned on the thick portion 14.
- the trench 28 is formed in the substrate 12 with a depth that reaches the middle of the support substrate 20 from the one surface 12a.
- the trench 28 is provided in a planar cross shape so as to divide the substantially square planar substrate 12 (chip) into four regions A1 to A4 having substantially the same area along the horizontal direction. Due to the trench 28, vibration transmission is suppressed in the mutual regions A1 to A4.
- Each region A1 to A4 defined by the trench 28 has the structure of the substrate 12 described above. That is, the cavity 16 is formed in each of the regions A1 to A4, and the portion of the membrane 18 that bridges the cavity 16 is a thin portion 18a. In FIG. 1, the thin portion 18a of each of the regions A1 to A4 is shown as a region surrounded by a broken line.
- the piezoelectric element 30 is formed by laminating the lower electrode 32, the piezoelectric film 34, and the upper electrode 36 in this order on the one surface 12 a of the substrate 12. According to such a piezoelectric element 30, the applied external force can be detected as a voltage generated between the electrodes 32 and 36 due to the piezoelectric effect of the piezoelectric film 34. On the other hand, when a voltage is applied between the electrodes 32 and 36, the piezoelectric film 34 itself can be deformed by the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric film 34.
- the piezoelectric film 34 for example, a film made of lead zirconate titanate (PZT) is employed.
- the electrodes 32 and 36 sandwiching the piezoelectric film 34 may be formed by sputtering of Pt or Cu, plating, baking of a conductive paste, or the like.
- a plurality of the piezoelectric elements 30 are formed on the same substrate 12 so as to be electrically separated from each other.
- a part of the plurality of piezoelectric elements 30 is formed on the thin part 18 a of the membrane 18, and a part of the plurality of piezoelectric elements 30 is formed on the thick part 14 via the membrane 18.
- the plurality of piezoelectric elements 30 that are electrically separated from each other include a vertical pressure detecting element 40 and an ultrasonic element 42.
- the electrodes 32 and 36 of the plurality of piezoelectric elements 30 are electrically connected to pads (external connection electrodes) (not shown) formed on the one surface 12 a of the substrate 12.
- a wiring (not shown) formed on the one surface 12a of the substrate 12 may be used.
- a contact hole (not shown) formed in the insulating film 26 and a diffusion layer (not shown) formed in the surface layer of the semiconductor layer 24 may be used.
- an inner layer wiring provided in the insulating film 26 may be used.
- it may be electrically connected to a pad formed on the back surface 12b of the substrate 12 by a through electrode (not shown).
- the vertical pressure detection element 40 is electrically insulated from resin, rubber, or the like on the upper electrode 36 of the piezoelectric element 30 in order to detect vertical pressure (also referred to as contact pressure) applied to the gripping sensor 10 in the vertical direction. It has the projection part 38 which consists of a property material. For this reason, when a robot hand 200 described later grips a gripping object, the gripping object comes into contact with the protrusion 38 of the vertical pressure detection element 40 in the piezoelectric element 30. Therefore, in the vertical pressure detection element 40, the vertical pressure can be detected as a voltage generated between the electrodes 32 and 36 due to the piezoelectric effect of the piezoelectric film 34.
- the vertical pressure detection element 40 is not provided on the thin portion 18 a of the membrane 18, but is provided on the thick portion 14 of the substrate 12 via the membrane 18. Further, vertical pressure detecting elements 40 are provided in the respective areas A1 to A4, and as shown in FIG. 1, in each of the areas A1 to A4, rectangular rectangular sides are formed so as to surround the thin rectangular portion 18a. Correspondingly, a vertical pressure detecting element 40 is provided. That is, four vertical pressure detection elements 40 are provided in each of the regions A1 to A4, and the vertical pressure detection elements 40 are electrically separated from each other.
- the ultrasonic element 42 is used for at least one of transmission of ultrasonic waves and reception of ultrasonic waves (reception of reflected waves of transmitted ultrasonic waves), and is provided on at least the cavity 16 of the substrate 12 in the horizontal direction. It has been. That is, it is provided on the thin portion 18 a of the membrane 18. For this reason, in the transmission ultrasonic element 42, when a drive signal is applied to the electrodes 32 and 36, the piezoelectric film 34 itself is deformed by the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric film 34, and thereby the thin portion of the membrane 18. 18a can vibrate in the vertical direction and transmit ultrasonic waves to the outside.
- the piezoelectric film 34 is distorted. Due to the piezoelectric effect of the piezoelectric film 34, the ultrasonic wave is It can be detected as a voltage generated between the electrodes 32 and 36, that is, an ultrasonic wave can be received.
- the ultrasonic element 42 is formed on the thin portion 18a of the membrane 18 in each of the regions A1 to A4. More specifically, as shown in FIG. 1, a rectangular shape corresponding to the thin portion 18 a is formed so as to cover the entire flat rectangular thin portion 18 a. In each of the regions A1 to A4, a predetermined gap is provided between the ultrasonic element 42 and the vertical pressure detection element 40. Further, the four ultrasonic elements 42 are electrically separated from each other, and only the ultrasonic element 42 in the area A1 is set as a transmitting / receiving element 42a capable of transmitting and receiving, and the remaining ultrasonic elements 42 in the remaining areas A2 to A4 are used.
- the sound wave element 42 is a reception element 42b dedicated to reception.
- the same substrate 12 has one ultrasonic element 42 (42a) capable of transmitting ultrasonic waves and four ultrasonic elements 42 (42a, 42b) capable of receiving ultrasonic waves.
- the ultrasonic elements 42 capable of receiving ultrasonic waves, it is possible to detect not only the distance and hardness from the gripping object but also the actual image of the gripping object such as position and size from the phase difference. it can.
- the robot hand drive control device 50 includes a control circuit 52, an oscillation circuit 54, a driver 56, reception circuits 58 and 62, and A / D conversion circuits 60 and 64 in addition to the above-described gripping sensor 10. 68, a processing circuit 66, and a memory 70.
- the control circuit 52 includes a central processing unit (CPU) (not shown), a read-on memory (ROM) in which various programs executed by the CPU are stored, and operations for various calculations that the CPU executes in accordance with the programs stored in the ROM.
- a random access memory (RAM) used as an area is provided. Then, a function for instructing the oscillation circuit 54 to generate a drive signal for driving the ultrasonic element 42a, a function for switching transmission / reception of the transmission / reception element 42a, presence / absence of a gripping object, distance, hardness, position, and shape are set.
- the function of controlling the drive of the actuator 100 that moves the robot hand 200 using the calculated distance, hardness, position, and shape, the function of calculating the vertical pressure, and the actuator 100 based on the calculated vertical pressure Has a function of correcting (feedback control).
- the oscillation circuit 54 When receiving the instruction signal from the control circuit 52, the oscillation circuit 54 outputs a drive signal having a predetermined frequency.
- the driver 56 is a drive circuit that drives the transmission / reception element 42a by a drive signal from the oscillation circuit 54, whereby ultrasonic waves having a predetermined frequency are transmitted from the transmission / reception element 42a.
- the driver 56 includes a power amplifier circuit such as a transformer.
- the reception circuits 58 and 62 include an amplifier that amplifies the reception signals of the corresponding ultrasonic elements 42a and 42b, a filter that performs filter processing on the amplified reception signals, and the like.
- the signals processed by the receiving circuits 58 and 62 are input to the control circuit 52 via the A / D conversion circuits 60 and 64.
- FIG. 3 for the sake of convenience, only one receiving element 42b and one receiving circuit 62 and A / D conversion circuit 64 for processing the received signal of the receiving element 42b are shown.
- the gripping sensor 10 has three receiving elements 42b
- the robot hand drive control device 50 includes three receiving elements 42b and receiving circuits corresponding to the receiving elements 42b. 62 and an A / D conversion circuit 64.
- the processing circuit 66 also includes an amplifier that amplifies the output signal of the corresponding vertical pressure detection element 40, a filter that performs filter processing on the amplified signal, and the like.
- the signal processed by the processing circuit 66 is input to the control circuit 52 via the A / D conversion circuit 68.
- FIG. 3 only one vertical pressure detection element 40, one processing circuit 66, and one A / D conversion circuit 68 are shown for convenience.
- the gripping sensor 10 has four vertical pressure detection elements 40, that is, a total of 16 vertical pressure detection elements 40 in each of the regions A1 to A4. It has 16 vertical pressure detection elements 40, a processing circuit 66 and an A / D conversion circuit 68 corresponding to each vertical pressure detection element 40.
- the memory 70 is a rewritable nonvolatile memory and stores parameters for controlling the driving of the actuator 100 that moves the robot hand 200. Specifically, parameters that cannot be detected by the gripping sensor 10, for example, information indicating the weight of the gripping object and information indicating the friction coefficient of the gripping object are stored. In addition, a map indicating the correspondence between the distance and amplitude when calculating the hardness, a map indicating the relationship between the hardness, the weight of the object to be grasped, the friction coefficient, and the vertical pressure are stored.
- the control circuit 52 When the power of the robot hand drive control device 50 is turned on, the control circuit 52 outputs an instruction signal to the oscillation circuit 54 to output a drive signal.
- the oscillation circuit 54 receives an instruction from the control circuit 52 and outputs a drive signal having a predetermined frequency (step S10).
- the generated drive signal (voltage signal) is transmitted to the transmitting / receiving element 42a via the driver 56.
- the transmitting / receiving element 42a vibrates in the vertical direction, the vibration is transmitted to the thin portion 18a of the membrane 18, and is transmitted to the outside as an ultrasonic wave.
- the frequency of this ultrasonic wave matches the frequency of the drive signal.
- the control circuit 52 switches so that the transmission / reception element 42a is connected to the reception circuit 58. Then, the control circuit 52 determines whether or not the amplitude of the reception signal of the elements 42a and 42b that can receive the ultrasonic waves acquired through the reception circuits 58 and 62 and the A / D conversion circuits 60 and 64 is larger than a predetermined threshold value. That is, it is determined whether or not there are ultrasonic elements 42a and 42b that have received the reflected wave from the grasped object (step S11).
- step S11 When it is determined in step S11 that there is no ultrasonic element 42a, 42b that has received the reflected wave, the control circuit 52 determines whether or not the corresponding measurement time has elapsed (step S12). If the measurement time has not elapsed, the process returns to step S11. On the other hand, if it is determined that the measurement time has been exceeded, the process returns to step S10. Note that the measurement time is the time from the timing at which the reflected wave from the grasped object can be detected (detectable start timing) to the end of detection, and is preset in this embodiment.
- step S11 when it is determined that there are ultrasonic elements 42a and 42b that have received the reflected waves, the control circuit 52 transmits the ultrasonic waves from the transmitting / receiving element 42a, and the reflected waves of the ultrasonic waves are one of the ultrasonic waves. Based on the time information until it is received by the sound wave elements 42a and 42b, the distance to the gripping object gripped by the robot hand 200 is calculated (step S13).
- This step S13 corresponds to the distance calculation means described in the claims. In the following description, it is assumed that reflected waves are received by all the ultrasonic elements 42a and 42b.
- the control circuit 52 calculates the hardness (expected hardness) of the object to be grasped based on the above time information and amplitude information indicating the amplitude of the reflected wave received by the ultrasonic elements 42a and 42b (step S14). ).
- This step S14 corresponds to the hardness calculating means described in the claims.
- the control circuit 52 can calculate the hardness (expected hardness) of the object to be grasped from the time information, that is, the distance and the amplitude, using the map stored in the memory 70.
- step S11 When it is determined in step S11 that there are a plurality of ultrasonic elements 42a and 42b that have received the reflected waves, the control circuit 52 indicates the phase difference of the reflected waves received by the plurality of ultrasonic elements 42a and 42b. Based on the phase difference information, the position and size of the gripping object, that is, the actual image of the gripping object is calculated (step S15).
- This step S15 corresponds to the actual image calculation means described in the claims.
- the ultrasonic elements 42a and 42b when the phase difference between the elements is detected and plotted, not only the position of the grasped object but also the size can be known. For this reason, in order to calculate the size, the larger the number of ultrasonic elements 42a and 42b that can receive ultrasonic waves, the better.
- step S16 corresponds to the grip control means described in the claims.
- the control circuit 52 reads information on the weight and friction coefficient of the object to be gripped stored in the memory 70, and these information are also used for driving control of the actuator 100. For this reason, the robot hand 200 according to the grasped object can be operated with high accuracy.
- the control circuit 52 determines whether or not the gripping operation of the robot hand 200 has been completed (step S17). This determination is made based on whether or not the actuator 100 has completed the predetermined operation instructed in step S16. For example, when a servo motor is used as the actuator 100, since the servo motor includes an encoder that detects the rotation angle, whether or not the motor has reached a predetermined position from the output of the encoder, that is, the gripping operation of the robot hand 200 is completed. It is possible to detect whether or not.
- step S17 If it is determined in step S17 that the gripping operation is complete, the control circuit 52 calculates the vertical pressure based on the detection signal of the vertical pressure detection element 40 (step S18). This step S18 corresponds to the vertical pressure calculating means described in the claims.
- Step S19 the control circuit 52 determines whether or not the robot hand 200 is in contact with the grasped object based on whether or not the vertical pressure calculated in Step S18 exceeds a predetermined threshold (Step S19). If it is determined in step S19 that no contact has occurred, the process returns to step S10.
- step S19 the control circuit 52 performs feedback control of the gripping state of the gripping object by the robot hand 200 using the vertical pressure calculated in step S18 (step S20).
- step S20 corresponds to the grip correction means described in the claims.
- the control circuit 52 performs feedback control on the actuator 100 so that the vertical pressure becomes the recommended vertical pressure. That is, the gripping force of the robot hand 200 that grips the gripping object is adjusted.
- the recommended vertical pressure is stored in the memory 70 as a map of the correspondence relationship between the hardness, the weight of the object to be grasped, and the friction coefficient.
- the above is the operation of grasping the object to be grasped by the robot hand 200. After completion of this operation, for example, according to another flow (not shown), for example, an operation of transferring the object to be gripped to a predetermined position and positioning it is executed.
- a plurality of piezoelectric elements 30 are formed on the membrane 18, and a part of the piezoelectric elements 30 functions as the vertical pressure detection element 40, and at least a part of the piezoelectric elements 30 excluding the vertical pressure detection element 40.
- the ultrasonic element 42 To function as the ultrasonic element 42. Therefore, the number of parts can be reduced while the ultrasonic sensor 42 as the distance sensor and the vertical pressure detection element 40 as the tactile sensor are provided as the gripping sensor 10. Further, by reducing the number of parts, the size of the physique can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
- the vertical pressure detecting element 40 is provided on the thick portion 14 via the membrane 18 in the horizontal direction. Since the thick portion 14 has higher rigidity than other portions of the substrate 12, for example, the thin portion 18 a of the membrane 18 positioned on the cavity portion 16, the vertical pressure can be detected with high accuracy.
- the substrate 12 has a plurality of cavities 16, and the ultrasonic elements 42 formed so as to cover the thin portions 18 a on the cavities 16 are electrically separated from each other. Yes. Further, on the same substrate 12, as a plurality of ultrasonic elements 42, a transmitting / receiving element 42a for transmitting ultrasonic waves and a plurality of ultrasonic elements 42a, 42b for receiving ultrasonic waves are integrated. For this reason, it is possible to grasp not only the distance from the gripping object and the hardness but also the actual image (size and position) of the gripping object from one gripping sensor 10. That is, the operation of the robot hand 200 can be controlled with high accuracy according to the object to be grasped.
- the piezoelectric element 30 includes a plurality of vertical pressure detection elements 40, and the plurality of vertical pressure detection elements 40 are provided in a distributed manner in the horizontal direction. For this reason, the vertical pressure can be detected regardless of the shape and size of the grasped object.
- the ultrasonic elements 42a and 42b included in the gripping sensor 10 can calculate not only the distance to the gripping object but also the hardness of the gripping object. For this reason, even if the hardness of the gripping object is unknown, the gripping object can be gripped at a pressure or speed corresponding to the calculated hardness. In addition, since the position and size of the gripping object can be calculated, the gripping object can be gripped with high accuracy. Further, the vertical pressure can be calculated by the vertical pressure detection element 40. For this reason, after grasping the grasped object, the operation of the robot hand 200 can be corrected (feedback control) based on the calculated vertical pressure.
- the arrangement of the piezoelectric elements 30 in the gripping sensor 10 is not limited to the above example.
- the gripping sensor 10 has one transmitting / receiving element 42a and three receiving elements 42b as the ultrasonic elements 42 has been described.
- the gripping sensor 10 only needs to have at least one ultrasonic element 42 used for at least one of transmission of ultrasonic waves and reception of ultrasonic waves.
- a configuration may be adopted in which one ultrasonic element 42 used only for transmitting ultrasonic waves and a plurality of receiving elements 42b are provided.
- the number of vertical pressure detection elements 40 formed on one substrate 12 is not particularly limited.
- the gripping sensor 10 has only one cavity 16 (not shown) in the substrate 12, and one membrane so as to cover the thin part 18 a on the cavity 16 in the membrane 18.
- An ultrasonic element 42 is formed.
- one vertical pressure detecting element 40 is formed on the substrate 12.
- the robot hand drive control device 50 calculates the actual image (position and size) of the gripping object from the phase difference.
- a plurality of gripping sensors 10 (a plurality of chips) may be provided.
- the piezoelectric elements 30 are provided in a matrix (matrix) over almost the entire surface 12a of the substrate 12 in the region A1. Specifically, the arrangement is 9 rows ⁇ 9 columns, and each piezoelectric element 30 has a substantially square shape in the horizontal direction. A part of the piezoelectric elements 30 located on the thick portion 14, specifically, the piezoelectric elements 30 in the second round with the outermost circumference as the first round are the vertical pressure detecting elements 40 every other one.
- the other piezoelectric elements 30 are ultrasonic elements 42.
- the plurality of ultrasonic elements 42 are controlled by the robot hand drive control device 50 so that the lower electrodes 32 and the upper electrodes 36 have the same potential.
- the memory 70 stores data relating to the weight of the object to be grasped and the friction coefficient.
- the robot hand drive control device 50 includes a load sensor and a sensor that detects a surface state (friction coefficient), and the weight of the gripping object is based on signals from these sensors.
- the surface state (coefficient of friction) may be calculated.
- the trench 28 is a gap, but the trench 28 may be filled with a vibration damping member.
- a vibration damping member a material having a high damping constant, preferably a material having a low elastic modulus and a low density is suitable.
- a rubber material, a resin containing pores such as foamed dendrites, and the like can be used.
- a configuration without the trench 28 may be adopted. However, if the trench 28 is provided, the size can be reduced in the horizontal direction.
- the present embodiment is characterized in that the gripping sensor 10 includes a shear force detection element 72 as well as the vertical pressure detection element 40 as a tactile sensor. Further, the robot hand drive control device 50 performs feedback control of the gripping state of the robot hand 200 using the shear force detected by the shear force detection element 72 together with the above-described vertical pressure.
- the gripping sensor 10 includes an ultrasonic element 42 having the same mode as that of the first embodiment.
- the region A1 of the substrate 12 is shown, but the remaining regions A2 to A4 have the same configuration as the region A1.
- a vertical pressure detecting element 40 is provided on the thick portion 14 of the substrate 12 via the membrane 18.
- a plurality of (12 in FIG. 7) vertical pressure detection elements 40 are predetermined so as to surround the thin rectangular portion 18 a (planar rectangular ultrasonic element 42). It has a rectangular ring shape with a pitch. These vertical pressure detecting elements 40 are electrically separated from each other, and can detect the vertical pressure individually.
- a piezoelectric element 74 different from the vertical pressure detection element 40 and the ultrasonic element 42 is provided next to the vertical pressure detection element 40. Then, in the vertical pressure detection element 40 and the piezoelectric element 74 that are adjacent to each other, a shear force (also referred to as a slip angle) applied in the horizontal direction by at least the upper electrodes 36 is detected as a change in capacitance value.
- a force detection element 72 is configured.
- the upper electrode 36 of the vertical pressure detection element 40 and thus the entire vertical pressure detection element 40, has a rectangular shape (substantially square) in the horizontal direction.
- Piezoelectric elements 74 that are electrically separated from each other are arranged on the sides.
- the upper electrode 36 of the piezoelectric element 74 is disposed opposite to the four sides of the upper electrode 36 of the vertical pressure detection element 40.
- At least the vertical pressure detection element 40 and the upper electrode 36 of the piezoelectric element 74 constituting the shear force detection element 72 of the piezoelectric element 30 are rectangular in the horizontal direction and have a predetermined height in the vertical direction.
- Each column portion 76 is formed.
- the column part 76 is not provided in the ultrasonic element 42, but the column part 76 is provided only in the vertical pressure detection element 40 and the piezoelectric element 74.
- the column portions 76 are electrically connected to the corresponding upper electrodes 36, and the column portions of the piezoelectric element 74 that are electrically separated from each other with respect to the four rectangular sides of the column portion 76 of the vertical pressure detection element 40.
- the capacitive electrode constituting the shear force detecting element 72 is constituted by the upper electrode 36 and the column part 76 of the vertical pressure detecting element 40 and the upper electrode 36 and the column part 76 of the piezoelectric element 74. ing.
- the protruding portion 38 is formed on the upper electrode 36 via the column portion 76.
- piezoelectric elements 74 are provided for one vertical pressure detection element 40.
- the four piezoelectric elements 74 corresponding to one vertical pressure detecting element 40 are electrically separated from each other, and the piezoelectric elements 74 corresponding to different vertical pressure detecting elements 40 are also electrically separated from each other.
- four shear force detecting elements 72 are formed for one vertical pressure detecting element 40.
- the piezoelectric element 74 has a planar rectangle, the width in the short direction is substantially equal to the width of the vertical pressure detection element 40, and the width in the longitudinal direction is larger than the width of the vertical pressure detection element 40. It is getting longer. For this reason, the column portion 76 of the vertical pressure detection element 40 has a smaller cross-sectional area in the horizontal direction than the column portion 76 of the piezoelectric element 74.
- any material that can be electrically connected to the upper electrode 36 that is, a capacitor electrode of a shearing force detecting element 72 described later can be adopted.
- conductive resins such as polyacetylene and polythiophene, doped polysilicon, and copper alloys.
- a material having a lower Young's modulus than that of the upper electrode 36 is used so as to be easily deformed in the horizontal direction.
- the gripping sensor 10 has a shearing force detecting element 72 as compared with the robot hand drive control device 50 shown in the first embodiment.
- a CV conversion circuit 78 that converts the capacitance value detected by the shear force detection element 72 into a voltage signal and an A / D conversion circuit 80 are further provided. Note that a CV conversion circuit 78 having a well-known configuration can be employed, and thus a detailed description thereof is omitted.
- Steps S10 to S19 are the same as those in FIG. 4 shown in the first embodiment. If it is determined in step S19 that there is contact, the control circuit 52 calculates the shear force applied in the horizontal direction based on the capacitance value detected by the shear force detection element 72 (step S21). This step S21 corresponds to the shearing force calculating means described in the claims.
- step S20 corresponds to the grip correction means described in the claims.
- the control circuit 52 controls the actuator so that the vertical pressure becomes the recommended vertical pressure. 100 is feedback controlled. That is, the gripping force of the robot hand 200 that grips the gripping object is adjusted.
- the shearing force calculated in step S19 is less than a predetermined threshold value, the gripping object may be dropped, and therefore the actuator 100 is feedback-controlled in the direction in which the vertical pressure increases.
- the threshold value of the shear force is also stored in the memory 70.
- the electrostatic force type shearing force detecting element 72 is configured using the vertical pressure detecting element 40. Therefore, the configuration of the gripping sensor 10 can be simplified as compared with the configuration in which the shear force detection element 72 is provided without using the vertical pressure detection element 40. Thereby, size reduction of a physique can be achieved, for example in a horizontal direction.
- each piezoelectric element 74 is arranged to face each vertical pressure detecting element 40.
- the capacitive electrodes (upper electrode 36 and column portion 76) of the vertical pressure detecting element 40 have a planar rectangular shape, and the piezoelectric elements 74 that are electrically separated from each other with respect to the four rectangular sides of the capacitive electrode.
- Capacitance electrodes (upper electrode 36 and column portion 76) are arranged to face each other. Therefore, the shearing force can be detected in two horizontal axes (the horizontal direction in the drawing and the vertical direction in the drawing shown in FIG. 7). That is, the triaxial force can be detected together with the vertical pressure.
- the column portion 76 is formed on the vertical pressure detection element 40 and the upper electrode 36 of the piezoelectric element 74 constituting the shear force detection element 72. For this reason, compared with the configuration in which the capacitive electrode constituting the shear force detecting element 72 is composed only of the upper electrode 36, the opposing area of the capacitive electrode can be increased and the initial capacitance value can be increased. In addition, by providing the column portion 76, the length of the capacitor electrode in the vertical direction is increased and the capacitor electrode is easily deformed, so that the amount of change in the facing distance of the capacitor electrode can be increased.
- the column portion 76 of the vertical pressure detection element 40 has a smaller cross-sectional area in the horizontal direction than the column portion 76 of the piezoelectric element 74.
- the detection sensitivity of a shear force can be improved in two horizontal axes. If the column portion 76 is formed using a material having a Young's modulus lower than that of the upper electrode 36, the capacitor electrode can be easily deformed as compared with the configuration in which the capacitor electrode having the same height is formed only by the upper electrode 36. it can.
- the gripping sensor 10 includes the shear force detection element 72, and the robot hand drive control device 50 calculates the shear force from the detection signal of the shear force detection element 72. Means (step S21). For this reason, after gripping the gripping object, the gripping state of the gripping object by the robot hand 200 can be more accurately corrected (feedback control) based on the vertical pressure and the shearing force.
- the arrangement of the piezoelectric elements 30 (the arrangement of the vertical pressure detection element 40, the ultrasonic element 42, the shearing force detection element 72, and the piezoelectric element 74) in the gripping sensor 10 is not limited to the above example. Absent. It suffices to have at least one vertical pressure detection element 40, at least one ultrasonic element 42, and at least one shearing force detection element 72 using the vertical pressure detection element 40.
- the shear force detecting element 72 is configured by the vertical pressure detecting element 40 and the piezoelectric element 74, but the shearing force detecting element 72 is configured by the vertical pressure detecting element 40 and the ultrasonic element 42 without providing the piezoelectric element 74. May be configured.
- the piezoelectric elements 30 are provided in a matrix (matrix) over almost the entire surface 12a of the substrate 12 in the region A1. Specifically, the arrangement is 12 rows ⁇ 12 columns. Specifically, in the configuration shown in FIG. 7, the cross-shaped arrangement in which the vertical pressure detecting element 40 is the center and the piezoelectric elements 74 are opposed to the four sides is arranged not only on the thick part 14 but also on the thin wall of the membrane 18. The structure is also repeated on the portion 18a.
- the piezoelectric element 30 excluding the vertical pressure detection element 40 provided on the thick part 14 is an ultrasonic element 42.
- the plurality of ultrasonic elements 42 are arranged so that the lower electrodes 32 and the upper electrodes 36 have the same potential when transmitting ultrasonic waves (step S10) or receiving ultrasonic waves (step S11). It is controlled by the hand drive controller 50. That is, although it is divided in structure, it behaves electrically as one ultrasonic element 42. On the other hand, at the time of calculating the shear force (step S21), among the ultrasonic elements 42, the ultrasonic elements 42 adjacent to the vertical pressure detecting element 40 along the two axes along the horizontal direction (the horizontal direction in the drawing of FIG. 12 and the vertical direction of the drawing).
- the configuration shown in FIG. 12 can also be applied to a configuration having only one cavity 16 in the substrate 12 as shown in FIG.
- the vertical pressure detection element 40 is formed on the thick part 14 of the substrate 12 in the above embodiment.
- the vertical pressure detection element 40 is formed on the thin part 18 a of the membrane 18.
- the thin portion 18a is provided so as to be deformable, variations in detection of vertical pressure, damage to the thin portion 18a, and the like are conceivable. Therefore, it is preferable to provide the vertical pressure detection element 40 on the thick portion 14 as shown in the above embodiment.
- FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line XIII-XIII of FIG. 7, except that the cross-sectional structure is such that the interval between the vertical pressure detecting element 40 and the piezoelectric element 74 adjacent to the vertical pressure detecting element 40 is not constant. This is the same as FIG. 7 (second embodiment). In the cross-sectional view shown in FIG.
- the column portions 76 of the vertical pressure detection elements 40 having the intervals D1, D2, and D3 are in contact with the column portions 76 of the adjacent piezoelectric elements 74. Therefore, it is possible to calculate how much the shearing force is based on the distance between the vertical pressure detecting elements 40 and the adjacent piezoelectric element 74. For example, a map indicating the correspondence between the interval and the shear force is stored in the memory 70, and the control circuit 52 calculates the shear force based on this map.
- the gripping sensor 10 has a plurality of vertical pressure detection elements 40 as the piezoelectric elements 30, and another piezoelectric element 74 (which may be the ultrasonic element 42) is provided next to the vertical pressure detection elements 40.
- the plurality of vertical pressure detection elements 40 are dispersed, and the vertical pressure detection element 40 and another piezoelectric element 74 adjacent to each other are electrically connected to the upper electrode 36 on the upper electrode 36.
- the protrusion 38 is formed on the upper electrode 36 via the column part 76, and the vertical pressure detection element 40 includes the column part 76 and the vertical part 76.
- the interval between the column portions 76 of the other piezoelectric elements 74 adjacent to the pressure detection element 40 may be set in multiple stages (intervals D1 to D3) in at least one axial direction in the horizontal direction.
- the composite device includes a thick part, a hollow part surrounded by the thick part, and a membrane formed on the thick part by bridging the hollow part. And a plurality of piezoelectric elements stacked in the order of a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode on one surface of the membrane opposite to the thick part, and the piezoelectric elements are electrically connected to each other.
- a part of the piezoelectric elements is separated and has a protrusion made of an electrically insulating material, the protrusion is formed on the upper electrode, and the piezoelectric element is laminated with the piezoelectric element.
- a vertical pressure detection element for detecting a vertical pressure applied in the vertical direction is provided, and the plurality of piezoelectric elements further include an ultrasonic element that performs at least one of transmission of ultrasonic waves and reception of ultrasonic waves. And the ultrasonic element is the vertical pressure detecting element.
- The is another piezoelectric element, ultrasonic devices, in the horizontal direction orthogonal to the vertical direction, it is provided on at least the cavity portion of the substrate.
- a plurality of piezoelectric elements are formed on the membrane, and a part of the piezoelectric elements is caused to function as a vertical pressure detecting element, and at least a part of the piezoelectric elements excluding the vertical pressure detecting element is used as an ultrasonic element.
- an ultrasonic sensor as a distance sensor
- a vertical pressure detection element as a tactile sensor as gripping sensors.
- the size of the physique can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
- the composite device may be a grip sensor used when gripping a gripping object.
- the vertical pressure detection element may be provided on the thick portion of the substrate in the horizontal direction.
- the portion where the thick portion is formed in the horizontal direction has higher rigidity than other portions of the substrate, for example, the portion on the hollow portion of the membrane, so that the vertical pressure can be detected with high accuracy.
- the another piezoelectric element may be provided next to the vertical pressure detecting element in the horizontal direction.
- the vertical pressure detecting element and the another piezoelectric element adjacent to each other provide a shearing force detecting element.
- the shearing force detecting element detects the shearing force applied in the horizontal direction as a change in capacitance value by at least the upper electrode.
- a capacitance type shearing force detecting element is configured using the vertical pressure detecting element. Therefore, the configuration can be simplified as compared with the configuration in which the shear force detection element is provided without using the vertical pressure detection element. Thereby, size reduction of a physique can be achieved, for example in a horizontal direction.
- the upper electrode of the vertical pressure detection element may have a rectangular shape in the horizontal direction.
- the upper electrode of the other piezoelectric element is arranged to face each rectangular side of the upper electrode of the vertical pressure detecting element.
- the upper electrodes of the other piezoelectric elements disposed opposite to the upper electrode of the vertical pressure detecting element are electrically separated from each other. According to this, a shear force can be detected in two horizontal axes. That is, the triaxial force can be detected together with the vertical pressure.
- the vertical pressure detecting element constituting the shearing force detecting element and the upper electrode of the other piezoelectric element are electrically connected to the upper electrode and have a rectangular column shape in the horizontal direction. May be formed.
- the column part of the other piezoelectric element is arranged to face each rectangular side of the column part of the vertical pressure detection element.
- the shear force detecting element is constituted by the upper electrode and the column part.
- the protrusion is formed on the upper electrode through the pillar. According to this, the upper electrode and the column portion constitute a set of capacitive electrodes that constitute the shear force detection element.
- the facing area of the capacitive electrode can be increased and the initial capacitance value can be increased. Further, since the capacitor electrode is easily deformed, the amount of change in the facing distance of the capacitor electrode can be increased.
- the column portion of the vertical pressure detection element may have a smaller cross-sectional area in the horizontal direction than the column portion of another piezoelectric element adjacent to the vertical pressure detection element. According to this, since the column part of the vertical pressure detection element is easily deformed, it is possible to improve the detection sensitivity of the shearing force in the two horizontal axes.
- the column portion may be formed using a material having a Young's modulus lower than that of the upper electrode. According to this, compared with the structure which forms the capacitive electrode of the same height only by an upper electrode, a capacitive electrode can be made easy to deform
- the hollow portion may have a plurality of hollow portions.
- the ultrasonic element has a plurality of ultrasonic element portions. Each ultrasonic element portion is located on a corresponding cavity portion.
- the plurality of ultrasonic element portions are electrically separated from each other.
- the plurality of ultrasonic element portions include at least one ultrasonic transmission element that transmits ultrasonic waves and a plurality of ultrasonic reception elements that receive ultrasonic waves. According to this, since at least one ultrasonic wave element for transmission and a plurality of ultrasonic wave elements for reception are integrated on one board, gripping is performed from the output of one board, that is, one gripping sensor. The actual image (size and position) of the object can be grasped.
- the vertical pressure detection element may have a plurality of vertical pressure detection element portions. In the horizontal direction, the plurality of vertical pressure detection element portions are provided in a distributed manner. According to this, vertical pressure or the like can be detected regardless of the shape and size of the grasped object.
- the robot hand drive control device includes the composite device according to the first aspect of the present disclosure having the ultrasonic transmission element and a plurality of the ultrasonic reception elements, and the ultrasonic transmission.
- Distance calculation for calculating the distance to the object to be gripped by the robot hand based on time information until the ultrasonic wave is transmitted from the element and the reflected wave of the ultrasonic wave is received by the ultrasonic wave receiving element
- the entity image calculating means for calculating the position and size of the object to be grasped, the distance calculated by the distance calculating means, and the hardness calculating means Calculated in Gripping control means for controlling the driving of a robot hand for gripping the gripping object using the measured hardness and the position and size calculated by the entity image calculating means, and the vertical pressure detecting element Based on the detection signal, the vertical pressure calculation means for calculating the vertical pressure at the time when the drive control by the grip control means is completed, and the vertical pressure calculated by the vertical pressure calculation means, Gripping correction means for feedback-controlling the gripping state of the gripping object.
- the robot hand drive control device not only the distance to the gripping object but also the hardness of the gripping object can be calculated. For this reason, the object to be grasped can be grasped at a pressure or speed corresponding to the calculated hardness. In addition, since the position and size of the gripping object can be calculated, the gripping object can be gripped with high accuracy. Also, it is possible to calculate the vertical pressure and correct (feedback control) the gripping state of the gripping object by the robot hand based on the calculated vertical pressure.
- the robot hand drive control device includes the composite device according to the first aspect of the present disclosure having the ultrasonic transmission element and the plurality of ultrasonic reception elements, and the horizontal direction.
- the another piezoelectric element is provided next to the vertical pressure detecting element, and the vertical pressure detecting element and the another piezoelectric element adjacent to each other provide a shearing force detecting element, and the shearing force detecting element includes: At least the upper electrode detects the shearing force applied in the horizontal direction as a change in capacitance value, and an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic wave transmitting element, and a reflected wave of the ultrasonic wave is received by the ultrasonic wave receiving element.
- Distance calculating means for calculating the distance to the grasped object to be grasped by the robot hand based on the time information until the operation is performed, the time information, and the reaction received by the ultrasonic receiving element. Based on the amplitude information indicating the amplitude of the wave, based on the phase difference information indicating the phase difference of the reflected wave received by the plurality of ultrasonic receiving elements, hardness calculation means for calculating the hardness of the gripping object, Entity image calculating means for calculating the position and size of the grasped object, the distance calculated by the distance calculating means, the hardness calculated by the hardness calculating means, and the entity image calculating means.
- the grip control means for controlling the driving of the robot hand for gripping the gripping object using the determined position and size, and the drive control by the grip control means based on the detection signal of the vertical pressure detection element
- Vertical pressure calculating means for calculating a vertical pressure at the time when the gripping control means is completed, and the horizontal direction at the time when drive control by the gripping control
- the object to be grasped can be grasped at a pressure or speed corresponding to the calculated hardness.
- the gripping object can be gripped with high accuracy.
- the shear force can be calculated. For this reason, it is possible to more accurately correct (feedback control) the gripping state of the gripping object by the robot hand based on the above-described vertical pressure and shearing force.
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Abstract
複合デバイスは、厚肉部(14)と空洞部(16)と該空洞部(16)を架橋するメンブレン(18)とを有する基板(12)と、下部電極(32)、圧電体膜(34)、上部電極(36)を有する複数の圧電素子(30)と、を備える。一部の前記圧電素子(30)は、上部電極(36)上に形成された突起部(38)を有し、当該一部の前記圧電素子(30)は、垂直圧力検出素子(40)を提供する。複数の前記圧電素子(30)は、さらに、前記垂直圧力検出素子(40)とは別の、超音波素子(42、74)を有する。該超音波素子(42、74)は、水平方向において、少なくとも前記基板(12)の空洞部(16)上に設けられている。
Description
本開示は、2011年11月1日に出願された日本出願番号2011-240522号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
本開示は、複合デバイス、及び、該複合デバイスを備えるロボットハンド駆動制御装置に関するものである。
ロボットハンドなど把持対象物を把持する際に用いられる把持用センサとして、例えば特許文献1に示されるように、距離センサと触覚センサを備えるものが知られている。
また、触覚センサとしては、例えば特許文献2に示す形態のものが知られている。特許文献2に示される触覚センサは、基板上に、基板側から順に配置された第1の層及び第2の層を含む積層部と、第1の層及び第2の層を第2の層側に曲げることによって形成された起立部と、起立部の変形を検出するための検出手段を有する。積層部及び起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含み、第1の層及び第2の層は、複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられている。また、積層部及び起立部は被膜によって覆われており、被膜に力が加えられると起立部が変形するようになっている。上記検出手段としては、ピエゾ抵抗効果や電極間の静電容量の変化に基づいて起立部の変形を検出する素子を採用することができる。
特許文献1では、距離センサとして、撮像により把持対象物の距離などを検知する視覚センサを採用しており、この視覚センサはロボットハンドのベース部に接続されている。一方、触覚センサは、ロボットハンドの指先に設けられ、これにより、指先に加わる力が検出できるようになっている。すなわち、距離センサと触覚センサが別個に設けられている。
また、特許文献2に示される触覚センサを用いる場合も、基板に対して起立した構造を有するため、距離センサとの集積化が困難である。すなわち、距離センサと触覚センサとが、別個に設けられることとなる。
このように従来の把持用センサでは、距離センサと触覚センサとを別個に設けなければならず、部品点数が多いため、体格を小型化するのが困難であった。また、製造コストを低減するのが困難であった。
本開示は、部品点数を削減することのできる把持用センサ及びロボットハンド駆動制御装置を提供することを目的とする。
本開示の第一の態様において、複合デバイスは、厚肉部と、該厚肉部に取り囲まれた空洞部と、該空洞部を架橋して前記厚肉部上に形成されたメンブレンと、を有する基板と、前記メンブレンにおける厚肉部と反対の一面上に、下部電極、圧電体膜、上部電極の順に積層形成された複数の圧電素子と、を備え、前記圧電素子は、互いに電気的に分離されており、一部の前記圧電素子は、電気絶縁性材料からなる突起部を有し、突起部は、上部電極上に形成され、当該一部の前記圧電素子は、前記圧電素子が積層された垂直方向に加わる垂直圧力を検出するための垂直圧力検出素子を提供し、複数の前記圧電素子は、さらに、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方を実施する超音波素子を有し、超音波素子は、前記垂直圧力検出素子とは別の圧電素子であり、該超音波素子は、前記垂直方向に直交する水平方向において、少なくとも前記基板の空洞部上に設けられている。
上記の複合デバイスでは、メンブレン上に複数の圧電素子が形成され、この圧電素子の一部を、垂直圧力検出素子として機能させ、垂直圧力検出素子を除く圧電素子の少なくとも一部を、超音波素子として機能させる。したがって、把持用センサとして、距離センサとしての超音波センサと、触覚センサとしての垂直圧力検出素子とを備えながらも、部品点数を削減することができる。また、部品点数削減により、体格の小型化や、製造コストの低減を図ることができる。
本開示の第二の態様において、ロボットハンド駆動制御装置は、前記超音波送信素子と複数の前記超音波受信素子とを有する本開示の第一の態様に記載の複合デバイスと、前記超音波送信素子から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段と、前記時間情報と、前記超音波素子にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段と、複数の前記超音波素子にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段と、前記距離算出手段にて算出された距離と、前記硬度算出手段にて算出された硬度と、前記実体像算出手段にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段と、前記垂直圧力検出素子の検出信号に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段と、前記垂直圧力算出手段にて算出された垂直圧力を用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段と、を備える。
上記のロボットハンド駆動制御装置において、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。また、垂直圧力を算出し、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を補正(フィードバック制御)することができる。
本開示の第三の態様において、ロボットハンド駆動制御装置は、前記超音波送信素子と複数の前記超音波受信素子とを有する本開示の第一の態様に記載の複合デバイスと、前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子の隣には、前記別の圧電素子が設けられ、互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子及び前記別の圧電素子は、せん断力検出素子を提供し、せん断力検出素子は、少なくとも上部電極により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出し、前記超音波送信素子から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段と、前記時間情報と、前記超音波受信素子にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段と、複数の前記超音波受信素子にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段と、前記距離算出手段にて算出された距離と、前記硬度算出手段にて算出された硬度と、前記実体像算出手段にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段と、前記垂直圧力検出素子の検出信号に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段と、前記せん断力検出素子の検出した静電容量値に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での前記水平方向に加わるせん断力を算出するせん断力算出手段と、前記垂直圧力算出手段にて算出された垂直圧力と、前記せん断力算出手段にて算出されたせん断力とを用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段と、を備える。
上記のロボットハンド駆動制御装置において、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。また、垂直圧力を算出し、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を補正(フィードバック制御)することができる。さらに、せん断力を算出することができる。このため、上記した垂直圧力とせん断力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を、より精度よく補正(フィードバック制御)することができる。
本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図1は、第1実施形態に係る把持用センサの概略構成を示す平面図であり、
図2は、図1のII-II線に沿う断面図であり、
図3は、図1に示す把持用センサを備えたロボットハンド駆動制御装置の概略構成を示すブロック図であり、
図4は、把持対象物をロボットハンドにより把持する手順を示すフローチャートであり、
図5は、把持用センサの変形例を示す平面図であり、
図6は、把持用センサの変形例を示す平面図であり、
図7は、第2実施形態に係る把持用センサのうち、領域A1の概略構成を示す平面図であり、
図8は、図7のVIII-VIII線に沿う断面図であり、
図9は、せん断力検出素子の周辺を拡大した断面図であり、
図10は、図7に示す把持用センサを備えたロボットハンド駆動制御装置の概略構成を示すブロック図であり、
図11は、把持対象物をロボットハンドにより把持する手順を示すフローチャートであり、
図12は、把持用センサの変形例を示す平面図であり、
図13は、把持用センサのその他変形例を示す断面図であり、この断面図は、図7のXIII-XIII線に対応している。
以下、本実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。以下においては、圧電素子30を構成する下部電極32、圧電体膜34、上部電極36の積層方向を垂直方向と示し、該垂直方向に直交する直交方向を水平方向と示す。
(第1実施形態)
先ず、複合デバイスについて説明する。ここで、複合デバイスは、対象物を掴んだり、押したりする際に用いられるものである。さらに、複合デバイスのうちでも、対象物を把持する際に用いられる把持用センサが挙げられる。
(第1実施形態)
先ず、複合デバイスについて説明する。ここで、複合デバイスは、対象物を掴んだり、押したりする際に用いられるものである。さらに、複合デバイスのうちでも、対象物を把持する際に用いられる把持用センサが挙げられる。
ここでは、先ず、把持用センサについて説明する。
図1及び図2に示す把持用センサ10は、基板12に圧電素子30が形成され、この圧電素子30として、垂直圧力検出素子40と超音波素子42を有する点を主たる特徴とする。
基板12は、厚肉部14と、水平方向において厚肉部14に取り囲まれた空洞部16と、空洞部16を架橋して厚肉部14上に形成されたメンブレン18と、を有する。そして、メンブレン18のうち、空洞部16を架橋する部分が、基板12において厚肉部14の形成された部分よりも薄い薄肉部18aとされ、この薄肉部18aは変形可能に設けられている。
本実施形態では、図2に示すように、基板12が、単結晶シリコンからなる支持基板20に、酸化シリコンなどの絶縁膜22を介して、単結晶シリコンからなる半導体層24が配置されたSOI(Silicon On Insulator)基板と、半導体層24における絶縁膜22と反対の面上に形成された酸化シリコンなどの絶縁膜26とにより構成されている。基板12において、絶縁膜26側の表面を一面12a、一面12aと反対の支持基板20側の表面を裏面12bとすると、空洞部16は、半導体層24を底部として支持基板20及び絶縁膜22を貫通し、基板12の裏面12bに開口している。このような空洞部16は、基板12を裏面12b側から周知の方法でエッチングすることで形成することができる。基板12のうち、半導体層24及び絶縁膜26がメンブレン18をなしており、空洞部16を架橋している。したがって、水平方向において、空洞部16を取り囲む支持基板20及び絶縁膜22の部分が、厚肉部14となっている。また、基板12において厚肉部14の形成された部分とは、上記厚肉部14と厚肉部14上に位置するメンブレン18からなる。
また、本実施形態では、基板12に、一面12aから支持基板20の途中まで到達する深さをもってトレンチ28が形成されている。トレンチ28は、平面略正方形の基板12(チップ)を、水平方向に沿う面積が略等しい4つの領域A1~A4に区画するように、平面十字状に設けられている。このトレンチ28により、相互の領域A1~A4において振動伝達が抑制される。トレンチ28にて区画された各領域A1~A4は、上記した基板12の構造を有している。すなわち、各領域A1~A4には、空洞部16が形成されており、空洞部16を架橋するメンブレン18の部分が薄肉部18aとなっている。なお、図1では、各領域A1~A4の薄肉部18aを、破線で囲まれた領域として示している。
圧電素子30は、基板12の一面12a上に、下部電極32、圧電体膜34、上部電極36の順に積層形成されてなる。このような圧電素子30によれば、圧電体膜34の圧電効果により、印加された外力を、電極32,36間に生じる電圧として検出することができる。一方、電極32,36間に電圧を印加すると、圧電体膜34の逆圧電効果により、圧電体膜34自体を変形させることができる。
本実施形態では、圧電体膜34として、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる膜を採用している。なお、圧電体膜34を挟む電極32,36としては、PtやCuのスパッタ、めっき、導電ペーストの焼き付けなどにより形成されたものを採用することができる。
この圧電素子30は、同一の基板12上において、互いに電気的に分離されて複数形成されている。複数の圧電素子30の一部は、メンブレン18の薄肉部18a上に形成されており、複数の圧電素子30の一部は、メンブレン18を介して厚肉部14上に形成されている。そして、互いに電気的に分離された複数の圧電素子30として、垂直圧力検出素子40と超音波素子42を有している。また、複数の圧電素子30の電極32,36は、基板12の一面12a上に形成された図示しないパッド(外部接続用電極)と電気的に接続されている。電極32,36とパッドとの電気的な接続は、基板12の一面12a上に形成された図示しない配線を用いても良い。また、絶縁膜26に形成された図示しないコンタクトホール、及び、半導体層24の表層に形成された図示しない拡散層を用いても良い。また、絶縁膜26が多層膜の場合、絶縁膜26内に設けられた内層配線を用いても良い。さらには、図示しない貫通電極により、基板12の裏面12bに形成されたパッドと電気的に接続されても良い。
垂直圧力検出素子40は、把持用センサ10に対して垂直方向に加わる垂直圧力(接触圧とも言う)を検出すべく、圧電素子30のうち、上部電極36上に、樹脂やゴムなどの電気絶縁性材料からなる突起部38を有している。このため、後述するロボットハンド200が把持対象物を掴むと、把持対象物は、圧電素子30のうち、垂直圧力検出素子40の突起部38に接触する。このため、垂直圧力検出素子40において、圧電体膜34の圧電効果により、垂直圧力を、電極32,36間に生じる電圧として検出することができる。
本実施形態において、垂直圧力検出素子40は、メンブレン18の薄肉部18a上に設けられず、メンブレン18を介して、基板12の厚肉部14上に設けられている。また、各領域A1~A4に垂直圧力検出素子40がそれぞれ設けられており、図1に示すように、各領域A1~A4において、平面矩形状の薄肉部18aを取り囲むように、矩形の四辺に対応して垂直圧力検出素子40がそれぞれ設けられている。すなわち各領域A1~A4に、4つの垂直圧力検出素子40がそれぞれ設けられており、各垂直圧力検出素子40は互いに電気的に分離されている。
超音波素子42は、超音波の送信及び超音波の受信(送信した超音波の反射波の受信)の少なくとも一方に用いられるものであり、水平方向において、少なくとも基板12の空洞部16上に設けられている。すなわち、メンブレン18の薄肉部18a上に設けられている。このため、送信用の超音波素子42では、電極32,36に駆動信号が印加されると、圧電体膜34の逆圧電効果により圧電体膜34自体が変形し、これによりメンブレン18の薄肉部18aが垂直方向に振動して、外部に超音波を送信することができる。一方、受信用の超音波素子42では、超音波を受けてメンブレン18の薄肉部18aが垂直方向に振動すると圧電体膜34に歪が生じ、圧電体膜34の圧電効果により、超音波を、電極32,36間に生じる電圧として検出する、すなわち超音波を受信することができる。
本実施形態では、各領域A1~A4において、メンブレン18の薄肉部18a上に超音波素子42が形成されている。より詳しくは、図1に示すように平面矩形状の薄肉部18a全域を覆うように、薄肉部18aに対応した矩形状を有して形成されている。各領域A1~A4において、超音波素子42と垂直圧力検出素子40との間には所定の空隙が設けられている。そして、また、4つの超音波素子42は互いに電気的に分離されており、領域A1の超音波素子42のみが送信と受信が可能な送受信用素子42aとされ、残りの領域A2~A4の超音波素子42は、受信専用の受信用素子42bとなっている。すなわち、同一の基板12に、超音波を送信できる超音波素子42(42a)を1つと、超音波を受信できる超音波素子42(42a,42b)を4つ有している。このように、超音波を受信できる超音波素子42を複数有すると、位相差から、把持対象物との距離や硬度だけでなく、位置や大きさといった把持対象物の実態像を検出することができる。
次に、上記した把持用センサ10を備えるロボットハンド駆動制御装置の構成について説明する。
図3に示すように、ロボットハンド駆動制御装置50は、上記した把持用センサ10以外にも、制御回路52、発振回路54、ドライバ56、受信回路58,62、A/D変換回路60,64,68、処理回路66、メモリ70を備えている。
制御回路52は、図示しない中央演算装置(CPU)、CPUが実行する各種プログラムが格納されたリードオンメモリ(ROM)、CPUがROMに格納された各プログラムにしたがって実行する各種演算のための作業領域として用いられるランダムアクセスメモリ(RAM)等を備えている。そして、発振回路54に対し、超音波素子42aを駆動させる駆動信号の生成を指示する機能、送受信素子42aの送信/受信を切り替える機能、把持対象物の有無、距離、硬度、位置、及び形状を算出する機能、算出した距離、硬度、位置、及び形状を用いて、ロボットハンド200を動かすアクチュエータ100の駆動を制御する機能、垂直圧力を算出する機能、算出された垂直圧力に基づいて、アクチュエータ100の駆動を補正(フィードバック制御)する機能などを有している。
発振回路54は、制御回路52からの指示信号を受けると、所定周波数の駆動信号を出力する。ドライバ56は、発振回路54からの駆動信号により送受信素子42aを駆動する駆動回路であり、これにより、送受信素子42aから所定周波数の超音波が送信される。なお、本実施形態では、ドライバ56が、トランスなどの電力増幅回路を含んでいる。
受信回路58,62は、対応する超音波素子42a,42bの受信信号を増幅するアンプや、増幅された受信信号に対してフィルタ処理を行うフィルタなどを含む。そして、受信回路58,62にて処理された信号は、A/D変換回路60,64を経て、制御回路52に入力される。なお、図3では、受信用素子42bと、該受信用素子42bの受信信号を処理する受信回路62及びA/D変換回路64とを、便宜上、1つずつのみ示している。しかしながら、上記したように、把持用センサ10は受信用素子42bを3つ有しており、ロボットハンド駆動制御装置50は、3つの受信用素子42bと、各受信用素子42bに対応する受信回路62及びA/D変換回路64を有している。
処理回路66も、受信回路58,62同様、対応する垂直圧力検出素子40の出力信号を増幅するアンプや、増幅された信号に対してフィルタ処理を行うフィルタなどを含む。そして、処理回路66にて処理された信号は、A/D変換回路68を経て、制御回路52に入力される。なお、図3では、垂直圧力検出素子40と、処理回路66及びA/D変換回路68とを、便宜上、1つずつのみ示している。しかしながら、上記したように、把持用センサ10は各領域A1~A4に4つの垂直圧力検出素子40、すなわち計16個の垂直圧力検出素子40を有しており、ロボットハンド駆動制御装置50は、16個の垂直圧力検出素子40と、各垂直圧力検出素子40に対応する処理回路66及びA/D変換回路68を有している。
メモリ70は、書き換え可能な不揮発性メモリであり、ロボットハンド200を動かすアクチュエータ100の駆動を制御するためのパラメータが格納されている。具体的には、把持用センサ10にて検出することができないパラメータ、例えば把持対象物の重量を示す情報と、把持対象物の摩擦係数を示す情報などが格納されている。また、硬度を算出する際の距離と振幅と対応関係を示すマップ、硬度、把持対象物の重量、及び摩擦係数と、垂直圧力との関係を示すマップなどが格納されている。
次に、制御回路52が所定のプログラムにしたがって実行する、ロボットハンド200の把持対象物を掴む動作について、図4を用いて説明する。
先ずロボットハンド駆動制御装置50の電源がオンされると、制御回路52は、発振回路54に対し、駆動信号を出力すべく指示信号を出力する。発振回路54は、制御回路52から指示を受け、所定周波数の駆動信号を出力する(ステップS10)。
生成された駆動信号(電圧信号)は、ドライバ56を介して送受信用素子42aに伝達される。これにより、送受信用素子42aは垂直方向に振動し、振動がメンブレン18の薄肉部18aに伝達され、外部に超音波として送信される。この超音波の周波数は駆動信号の周波数と一致している。
送信処理の開始後、所定時間が経過すると、制御回路52は、送受信用素子42aが受信回路58に接続されるように切り替える。そして、制御回路52は、受信回路58,62及びA/D変換回路60,64を経て取得した超音波を受信できる素子42a,42bの受信信号の振幅が、所定の閾値より大きいか否か、すなわち、把持対象物からの反射波を受信した超音波素子42a,42bがあるか否かを判定する(ステップS11)。
ステップS11において、反射波を受信した超音波素子42a,42bがないと判定した場合、制御回路52は、対応する計測時間を経過したか否かを判定する(ステップS12)。そして、計測時間を経過していなければステップS11に戻る。一方、計測時間を超えたと判定した場合は、ステップS10に戻る。なお、計測時間とは、把持対象物による反射波が検出可能なタイミング(検出可能開始タイミング)から検出可能終了までの時間であり、本実施形態では予め設定されている。
ステップS11において、反射波を受信した超音波素子42a,42bがあると判定した場合、制御回路52は、送受信用素子42aから超音波が送信され、該超音波の反射波が、いずれかの超音波素子42a,42bにて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンド200により把持される把持対象物までの距離を算出する(ステップS13)。このステップS13が、特許請求の範囲に記載の距離算出手段に相当する。なお、以下においては、全ての超音波素子42a,42bにおいて反射波を受信したものとする。
次いで、制御回路52は、上記した時間情報と、超音波素子42a,42bにて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、把持対象物の硬度(予想硬度)を算出する(ステップS14)。このステップS14が、特許請求の範囲に記載の硬度算出手段に相当する。超音波は、対象物が硬いほどその反射量が多くなり、受信信号の振幅は大きくなる。一方、対象物が軟らかいほど反射量が少なくなり、受信信号の振幅が小さくなる。また、受信信号の振幅は、対象物との距離にも依存する。したがって、時間情報、すなわち距離と、振幅とから、メモリ70に格納されたマップにより、制御回路52は、把持対象物の硬度(予想硬度)を算出することができる。
また、ステップS11にて、反射波を受信した超音波素子42a,42bが複数あると判定した場合、制御回路52は、複数の超音波素子42a,42bにて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、把持対象物の位置及び大きさ、すなわち把持対象物の実態像を算出する(ステップS15)。このステップS15が、特許請求の範囲に記載の実態像算出手段に相当する。なお、超音波素子42a,42bにおいて、素子間の位相差を検出してプロットしていくと、把持対象物の位置だけでなく、大きさもわかる。このため、大きさを算出するには、超音波を受信できる超音波素子42a,42bの個数が多いほど好ましい。
そして、制御回路52は、ステップS13にて算出した距離と、ステップS14にて算出した硬度と、ステップS15にて算出した位置及び大きさとを用いて、ロボットハンド200が把持対象物を把持するように、モータ等のアクチュエータ100の駆動を制御する(ステップS16)。このステップS16が、特許請求の範囲に記載の把持制御手段に相当する。本実施形態では、算出した硬度情報を用いるため、把持対象物を掴むスピードや圧力を硬度に応じて設定することができる。なお、本実施形態では、制御回路52が、メモリ70に格納された把持対象物の重量、摩擦係数の情報を読み出し、これら情報もアクチュエータ100の駆動制御に用いる。このため、把持対象物に応じたロボットハンド200の高精度の動作が可能となる。
次いで、制御回路52は、ロボットハンド200の把持動作が完了したか否かを判定する(ステップS17)。この判定は、アクチュエータ100が、ステップS16で指示した所定動作を完了したか否かで判定される。例えばアクチュエータ100としてサーボモータを用いると、サーボモータが回転角度を検出するエンコーダーを備えているため、エンコーダーの出力から、モータが所定位置に到達したか否か、すなわちロボットハンド200の把持動作が完了か否かを検出することができる。
ステップS17で把持動作完了と判定すると、制御回路52は、垂直圧力検出素子40の検出信号に基づいて、垂直圧力を算出する(ステップS18)。このステップS18が、特許請求の範囲に記載の垂直圧力算出手段に相当する。
そして、制御回路52は、ステップS18で算出した垂直圧力が所定の閾値を超えたか否かで、ロボットハンド200が把持対象物に接触しているか否かを判定する(ステップS19)。このステップS19で、接触していないと判定した場合、ステップS10に戻る。
一方、ステップS19において、接触ありと判定した場合、制御回路52は、ステップS18で算出した垂直圧力を用いて、ロボットハンド200による把持対象物の把持状態をフィードバック制御する(ステップS20)。このステップS20が、特許請求の範囲に記載の把持補正手段に相当する。例えば、制御回路52は、ステップS18にて算出した垂直圧力が、メモリ70に格納された推奨垂直圧力と異なる場合には、垂直圧力が推奨垂直圧力となるように、アクチュエータ100をフィードバック制御する。すなわち、把持対象物を掴んだロボットハンド200の把持力を調整する。なお、推奨垂直圧力とは、硬度、把持対象物の重量、及び摩擦係数との対応関係が、マップとしてメモリ70に格納されている。
以上が、ロボットハンド200により把持対象物を掴む動作である。この動作の完了後、図示しない別のフローにしたがって、例えば把持対象物を所定位置に移送し、位置決め配置する動作が実行される。
次に、本実施形態に係る把持用センサ10及びロボットハンド駆動制御装置50について、特徴部分の効果を説明する。
本実施形態では、メンブレン18上に複数の圧電素子30が形成され、この圧電素子30の一部を、垂直圧力検出素子40として機能させ、垂直圧力検出素子40を除く圧電素子30の少なくとも一部を、超音波素子42として機能させる。したがって、把持用センサ10として、距離センサとしての超音波素子42と、触覚センサとしての垂直圧力検出素子40とを備えながらも、部品点数を削減することができる。また、部品点数削減により、体格の小型化や、製造コストの低減を図ることができる。
特に本実施形態では、垂直圧力検出素子40を、水平方向において、メンブレン18を介して厚肉部14上に設けている。厚肉部14は、基板12の他の部分、例えば空洞部16上の位置するメンブレン18の薄肉部18a、に較べて剛性が高いため、精度よく垂直圧力を検出することができる。
また、本実施形態では、基板12が空洞部16を複数有しており、各空洞部16上の薄肉部18aをそれぞれ覆うように形成された超音波素子42は、互いに電気的に分離されている。また、同一の基板12に、複数の超音波素子42として、超音波を送信する送受信用素子42aと、超音波を受信する複数の超音波素子42a,42bが集積されている。このため、1つの把持用センサ10から、把持対象物との距離や硬度だけでなく、把持対象物の実態像(大きさや位置)を掴むことができる。すなわち、ロボットハンド200の動作を、把持対象物に応じて高精度に制御することができる。
また、本実施形態では、圧電素子30として、複数の垂直圧力検出素子40を有し、水平方向において、複数の垂直圧力検出素子40が分散して設けられている。このため、把持対象物の形状や大きさによらず、垂直圧力を検出することができる。
また、本実施形態では、把持用センサ10が備える超音波素子42a,42bにより、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、把持対象物の硬さが不明でも、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。さらには、垂直圧力検出素子40により、垂直圧力を算出することができる。このため、把持対象物を掴んだ後に、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンド200の動作を補正(フィードバック制御)することができる。
(変形例)
上記実施形態では、基板12の裏面12b側から形成された空洞部16の例を示した。しかしながら、空洞部16は、基板12の一面12a側から形成されてもよい。
上記実施形態では、基板12の裏面12b側から形成された空洞部16の例を示した。しかしながら、空洞部16は、基板12の一面12a側から形成されてもよい。
把持用センサ10における圧電素子30の配置(垂直圧力検出素子40及び超音波素子42の配置)は上記例に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、把持用センサ10が、超音波素子42として、送受信用素子42aを1つ、受信用素子42bを3つ有する例を示した。しかしながら、把持用センサ10としては、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方に用いられる超音波素子42を少なくとも1つ有するものであれば良い。例えば超音波の送信のみに用いられる超音波素子42を1つ有し、受信用素子42bを複数有する構成としても良い。また、1つの基板12に形成される垂直圧力検出素子40の個数も特に限定されない。
図5に示す例では、把持用センサ10が、基板12に空洞部16(図示せず)を1つのみ有しており、メンブレン18における空洞部16上の薄肉部18aを覆うように1つの超音波素子42が形成されている。また、基板12には、垂直圧力検出素子40が1つ形成されている。このように、把持用センサ10が1つの超音波素子42を有する構成の場合、ロボットハンド駆動制御装置50として、位相差から把持対象物の実態像(位置及び大きさ)を算出するには、複数の把持用センサ10(複数のチップ)を備えれば良い。
一方、図6に示す例では、圧電素子30が、領域A1における基板12の一面12aほぼ全面においてマトリクス状(行列状)に設けられている。具体的には、9行×9列の配置となっており、各圧電素子30は、水平方向において略正方形をなしている。そして、厚肉部14上に位置する圧電素子30の一部、詳しくは、最外周を1周目として2周目の圧電素子30が、一つ置きに垂直圧力検出素子40となっている。また、それ以外の圧電素子30は、超音波素子42となっている。これら複数の超音波素子42は、下部電極32同士、上部電極36同士が、それぞれ同電位となるように、ロボットハンド駆動制御装置50において制御される。すなわち、構造上分割されているものの、電気的には1つの超音波素子42として振る舞う。なお、他の領域A2~A4でも同様の構成となっている。図6に示す構成は、図5のように、基板12に1つの空洞部16のみを有する構成にも適用することができる。
上記実施形態では、メモリ70に、把持対象物の重量や摩擦係数に関するデータが格納される例を示した。しかしながら、把持用センサ10と別のセンサとして、ロボットハンド駆動制御装置50が、荷重センサ、表面状態(摩擦係数)を検出するセンサを備え、これらセンサからの信号に基づいて、把持対象物の重量や表面状態(摩擦係数)を算出する構成としても良い。
上記実施形態では、トレンチ28を空隙としたが、トレンチ28内を、振動減衰部材にて埋めた構成としても良い。このような振動減衰部材としては、減衰定数が高い材料、好ましくは、弾性率が低く、密度が小さい材料が好適である。例えば、ゴム系材料、発泡樹枝などの気孔を含む樹脂などを用いることができる。また、トレンチ28を有さない構成としても良い。しかしながら、トレンチ28を設けたほうが、水平方向において体格を小型化することができる。
(第2実施形態)
本実施形態において、上記実施形態に示した把持用センサ10及びロボットハンド駆動制御装置50と共通する部分についての説明は割愛する。第1実施形態では、把持用センサ10が、触覚センサとして垂直圧力検出素子40のみを有する例を示した。
本実施形態において、上記実施形態に示した把持用センサ10及びロボットハンド駆動制御装置50と共通する部分についての説明は割愛する。第1実施形態では、把持用センサ10が、触覚センサとして垂直圧力検出素子40のみを有する例を示した。
これに対し、本実施形態では、把持用センサ10が、触覚センサとして、垂直圧力検出素子40とともに、せん断力検出素子72も備える点を特徴とする。また、ロボットハンド駆動制御装置50が、上記した垂直圧力とともにせん断力検出素子72にて検出されたせん断力を用いて、ロボットハンド200の把持状態をフィードバック制御する点を特徴とする。
図7及び図8に示すように、本実施形態に係る把持用センサ10は、第1実施形態と同じ態様の超音波素子42を備えている。なお、図7では、基板12のうち、領域A1のみを示しているが、残りの領域A2~A4も、領域A1と同様の構成を有している。
また、第1実施形態同様、メンブレン18を介して、基板12の厚肉部14上には、垂直圧力検出素子40が設けられている。本実施形態では、図7に示すように、平面矩形状の薄肉部18a(平面矩形状の超音波素子42)を取り囲むように、複数(図7では12個)の垂直圧力検出素子40が所定ピッチを有しつつ矩形環状に設けられている。これら垂直圧力検出素子40は、互いに電気的に分離されており、個別に垂直圧力の検出が可能となっている。
また、水平方向において、垂直圧力検出素子40の隣には、垂直圧力検出素子40及び超音波素子42とは別の圧電素子74が設けられている。そして、互いに隣り合う垂直圧力検出素子40及び圧電素子74において、それぞれの少なくとも上部電極36同士により、水平方向に加わるせん断力(すべり角とも言う)を静電容量値の変化として検出するためのせん断力検出素子72が構成されている。
本実施形態では、垂直圧力検出素子40の上部電極36、ひいては垂直圧力検出素子40全体が、水平方向において矩形状(略正方形)をなしており、垂直圧力検出素子40の上部電極36の矩形各辺に対して、互いに電気的に分離された圧電素子74がそれぞれ配置されている。そして、垂直圧力検出素子40の上部電極36の4辺に対して、圧電素子74の上部電極36がそれぞれ対向配置されている。
また、圧電素子30のうち、少なくともせん断力検出素子72を構成する垂直圧力検出素子40及び圧電素子74の上部電極36上には、水平方向において矩形状をなし、垂直方向において所定高さを有する柱部76がそれぞれ形成されている。本実施形態では、超音波素子42の感度を向上するために、超音波素子42には柱部76を設けず、垂直圧力検出素子40及び圧電素子74のみに柱部76を設けている。この柱部76は、対応する上部電極36と電気的に接続されており、垂直圧力検出素子40の柱部76の矩形4辺に対して、互いに電気的に分離された圧電素子74の柱部76がそれぞれ対向配置されている。そして、図9に示すように、せん断力検出素子72を構成する容量電極は、垂直圧力検出素子40の上部電極36及び柱部76と、圧電素子74の上部電極36及び柱部76により構成されている。なお、垂直圧力検出素子40において、突起部38は、柱部76を介して上部電極36上に形成されている。
本実施形態では、1つの垂直圧力検出素子40に対し、4つの圧電素子74が設けられている。1つの垂直圧力検出素子40に対応する4つの圧電素子74は互いに電気的に分離されており、異なる垂直圧力検出素子40に対応する圧電素子74も互いに電気的に分離されている。このように、1つの垂直圧力検出素子40につき、4つのせん断力検出素子72が形成されている。圧電素子74は、図7に示すように、平面長方形をなしており、短手方向の幅が垂直圧力検出素子40の幅とほぼ等しく、長手方向の幅が垂直圧力検出素子40の幅よりも長くなっている。このため、垂直圧力検出素子40の柱部76のほうが、圧電素子74の柱部76よりも、水平方向における断面積が小さくなっている。
なお、矩形状の柱部76の直交する2辺にそれぞれ沿う方向と、矩形状の上部電極36の直交する2辺にそれぞれ沿う方向は互いに一致している。柱部76の構成材料としては、上部電極36と電気的に接続される材料、すなわち後述するせん断力検出素子72の容量電極を形成できるものであれば採用することができる。例えば、ポリアセチレンやポリチオフェンなどの導電性樹脂、ドープドポリシリコン、銅合金などがある。好ましくは、水平方向に変形しやすいように、上部電極36よりもヤング率の低い材料を用いて形成されると良い。
次に、本実施形態に係るロボットハンド駆動制御装置50の構成について、図10を用いて説明する。
図10に示すように、ロボットハンド駆動制御装置50は、第1実施形態に示したロボットハンド駆動制御装置50に対し、把持用センサ10が、せん断力検出素子72も有している。そして、せん断力検出素子72の検出した静電容量値を電圧信号に変換するC-V変換回路78と、A/D変換回路80をさらに備えている。なお、C-V変換回路78については周知構成のものを採用することができるため、詳細な説明は割愛する。
次に、制御回路52が所定のプログラムにしたがって実行する、ロボットハンド200の把持対象物を掴む動作について、図11を用いて説明する。
ステップS10からステップS19までは、第1実施形態に示す図4と同じである。ステップS19において、接触ありと判定した場合、制御回路52は、せん断力検出素子72の検出した静電容量値に基づいて、水平方向に加わるせん断力を算出する(ステップS21)。このステップS21が、特許請求の範囲に記載のせん断力算出手段に相当する。
そして、制御回路52は、ステップS18で算出した垂直圧力と、ステップS21で算出したせん断力とを用いて、ロボットハンド200による把持対象物の把持状態をフィードバック制御する(ステップS20)。このステップS20が、特許請求の範囲に記載の把持補正手段に相当する。例えば、制御回路52は、第1実施形態同様、ステップS18にて算出した垂直圧力が、メモリ70に格納された推奨垂直圧力と異なる場合には、垂直圧力が推奨垂直圧力となるように、アクチュエータ100をフィードバック制御する。すなわち、把持対象物を掴んだロボットハンド200の把持力を調整する。また、ステップS19にて算出したせん断力が所定の閾値未満である場合には、把持対象物を落とす虞があるため、垂直圧力が高まる方向に、アクチュエータ100をフィードバック制御する。例えば、せん断力の閾値もメモリ70に格納されている。
次に、本実施形態に係る把持用センサ10及びロボットハンド駆動制御装置50について、特徴部分の効果を説明する。
本実施形態では、垂直圧力検出素子40を利用して、静電容量式のせん断力検出素子72が構成されている。したがって、垂直圧力検出素子40を利用せずに、せん断力検出素子72を設ける構成に較べて、把持用センサ10の構成を簡素化することができる。これにより、例えば水平方向において体格の小型化を図ることができる。
また、本実施形態では、1つの垂直圧力検出素子40に対し、4つの圧電素子74がそれぞれ対向配置されている。また、垂直圧力検出素子40の容量電極(上部電極36及び柱部76)は平面矩形状をなしており、該容量電極の矩形4辺に対して、互いに電気的に分離された圧電素子74の容量電極(上部電極36及び柱部76)がそれぞれ対向配置されている。したがって、水平方向の2軸(図7に示す紙面左右方向と紙面上下方向)において、せん断力を検出することができる。すなわち、垂直圧力と合わせて3軸力を検出することができる。
特に本実施形態では、上記したように、せん断力検出素子72を構成する垂直圧力検出素子40及び圧電素子74の上部電極36上に、柱部76が形成されている。このため、せん断力検出素子72を構成する容量電極が上部電極36のみからなる構成に較べて、容量電極の対向面積を大きくし、初期の静電容量値を大きくすることができる。また、柱部76を設けることで、容量電極の垂直方向の長さが長くなり、容量電極が変形しやすくなるため、容量電極の対向距離の変化量を大きくすることができる。
さらに本実施形態では、垂直圧力検出素子40の柱部76のほうが、圧電素子74の柱部76よりも、水平方向における断面積が小さくされている。これにより、垂直圧力検出素子40の柱部76が変形しやすいため、水平方向の2軸において、せん断力の検出感度を向上することができる。なお、上部電極36よりもヤング率の低い材料を用いて柱部76を形成すると、上部電極36のみによって同じ高さの容量電極を形成する構成に較べて、容量電極を変形しやすくすることができる。
また、本実施形態では、把持用センサ10が、せん断力検出素子72を有しており、ロボットハンド駆動制御装置50は、せん断力検出素子72の検出信号から、せん断力を算出するせん断力算出手段(ステップS21)を備える。このため、把持対象物を掴んだ後に、垂直圧力とせん断力に基づいて、ロボットハンド200による把持対象物の把持状態を、より精度よく補正(フィードバック制御)することができる。
(変形例)
上記実施形態では、せん断力検出素子72を構成する垂直圧力検出素子40及び圧電素子74が、容量電極の構成要素として、上部電極36及び柱部76をそれぞれ有する例を示した。しかしながら、柱部76を有さず、容量電極が上部電極36のみにより構成されても良い。
上記実施形態では、せん断力検出素子72を構成する垂直圧力検出素子40及び圧電素子74が、容量電極の構成要素として、上部電極36及び柱部76をそれぞれ有する例を示した。しかしながら、柱部76を有さず、容量電極が上部電極36のみにより構成されても良い。
本実施形態においても、把持用センサ10における圧電素子30の配置(垂直圧力検出素子40、超音波素子42、せん断力検出素子72、及び圧電素子74の配置)は上記例に限定されるものではない。少なくとも1つの垂直圧力検出素子40、少なくとも1つの超音波素子42、垂直圧力検出素子40を利用した少なくとも1つのせん断力検出素子72を有せば良い。上記実施形態では、垂直圧力検出素子40と圧電素子74とによりせん断力検出素子72を構成したが、圧電素子74を設けず、垂直圧力検出素子40と超音波素子42とによりせん断力検出素子72を構成しても良い。
例えば図12に示す例では、圧電素子30が、領域A1における基板12の一面12aほぼ全面においてマトリクス状(行列状)に設けられている。具体的には、12行×12列の配置となっている。詳しくは、図7に示した構成において、垂直圧力検出素子40を中心とし、4辺に圧電素子74を対向配置させた十字状の配置を、厚肉部14上だけでなく、メンブレン18の薄肉部18a上においても繰り返し構造としている。そして、厚肉部14上に設けられた垂直圧力検出素子40を除く圧電素子30を、超音波素子42としている。これら複数の超音波素子42は、超音波の送信時(ステップS10)、又は、超音波の受信時(ステップS11)に、下部電極32同士、上部電極36同士が同電位となるように、ロボットハンド駆動制御装置50において制御される。すなわち、構造上分割されているものの、電気的には1つの超音波素子42として振る舞う。一方、せん断力の算出時(ステップS21)に、超音波素子42のうち、水平方向に沿う2軸(図12の紙面左右方向と紙面上下方向)で垂直圧力検出素子40の隣り合う超音波素子42のみ、その容量電極(上部電極36及び柱部76)がせん断力検出に用いられるように、ロボットハンド駆動制御装置50において制御される。なお、他の領域A2~A4でも同様の構成となっている。図12に示す構成は、図5のように、基板12に1つの空洞部16のみを有する構成にも適用することができる。
上記実施形態では、垂直圧力検出素子40が、基板12の厚肉部14上に形成される例を示したが、垂直圧力検出素子40が、メンブレン18の薄肉部18a上に形成された構成とすることもできる。しかしながら、薄肉部18aは変形可能に設けられているため、垂直圧力の検出ばらつきや、薄肉部18aのダメージ等が考えられる。したがって、上記実施形態に示すように、厚肉部14上に垂直圧力検出素子40を設けることが好ましい。
上記実施形態では、せん断力検出素子72として、静電容量式の例を示した。しかしながら、例えば図13に示すように、接触式のスイッチを接触タイミングがずれるように複数設けてなるせん断力検出素子を採用することもできる。図13は、図7のXIII-XIII線に沿う断面図であり、その断面構造は、垂直圧力検出素子40と垂直圧力検出素子40に隣り合う圧電素子74との間隔が一定でない点を除けば図7(第2実施形態)と同じである。図13に示す断面図には、3つの垂直圧力検出素子40が示されており、紙面左側から、圧電素子74との間隔がD1、D2(>D1)、D3(>D2)となっている。このため、せん断力が小さいときには、例えば間隔D1の垂直圧力検出素子40の柱部76のみが、隣り合う圧電素子74の柱部76に接触する。すなわち、垂直圧力検出素子40と圧電素子74の上部電極36が電気的に接続される(ショートする)。また、せん断力が中程度のときには、例えば間隔D1と間隔D2の垂直圧力検出素子40の柱部76が、隣り合う圧電素子74の柱部76に接触する。また、せん断力が大きいときには、間隔D1、間隔D2、間隔D3の垂直圧力検出素子40の柱部76が、隣り合う圧電素子74の柱部76に接触する。したがって、どの間隔の垂直圧力検出素子40まで隣り合う圧電素子74とショートしているかにより、せん断力がどの程度かを算出することができる。例えば、間隔とせん断力との対応関係を示すマップがメモリ70に格納され、制御回路52は、このマップに基づいてせん断力を算出する。
すなわち、把持用センサ10が、圧電素子30として、複数の垂直圧力検出素子40を有し、垂直圧力検出素子40の隣には別の圧電素子74(超音波素子42でも良い)が設けられ、水平方向において、複数の垂直圧力検出素子40は分散しており、互いに隣り合う垂直圧力検出素子40及び別の圧電素子74において、上部電極36上には、該上部電極36と電気的に接続された柱部76が形成され、垂直圧力検出素子40において、突起部38は、柱部76を介して上部電極36上に形成されており、各垂直圧力検出素子40の柱部76と、該垂直圧力検出素子40に隣り合う別の圧電素子74の柱部76との間隔は、水平方向のうちの少なくとも1軸方向において、多段(間隔D1~D3)に設定された構成としても良い。
上記の開示は、以下の態様を有する。
本開示の第一の態様において、複合デバイスは、厚肉部と、該厚肉部に取り囲まれた空洞部と、該空洞部を架橋して前記厚肉部上に形成されたメンブレンと、を有する基板と、前記メンブレンにおける厚肉部と反対の一面上に、下部電極、圧電体膜、上部電極の順に積層形成された複数の圧電素子と、を備え、前記圧電素子は、互いに電気的に分離されており、一部の前記圧電素子は、電気絶縁性材料からなる突起部を有し、突起部は、上部電極上に形成され、当該一部の前記圧電素子は、前記圧電素子が積層された垂直方向に加わる垂直圧力を検出するための垂直圧力検出素子を提供し、複数の前記圧電素子は、さらに、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方を実施する超音波素子を有し、超音波素子は、前記垂直圧力検出素子とは別の圧電素子であり、該超音波素子は、前記垂直方向に直交する水平方向において、少なくとも前記基板の空洞部上に設けられている。
上記の複合デバイスでは、メンブレン上に複数の圧電素子が形成され、この圧電素子の一部を、垂直圧力検出素子として機能させ、垂直圧力検出素子を除く圧電素子の少なくとも一部を、超音波素子として機能させる。したがって、把持用センサとして、距離センサとしての超音波センサと、触覚センサとしての垂直圧力検出素子とを備えながらも、部品点数を削減することができる。また、部品点数削減により、体格の小型化や、製造コストの低減を図ることができる。
代案として、前記複合デバイスは、把持対象物を把持する際に用いられる把持センサであってもよい。
代案として、記垂直圧力検出素子は、前記水平方向において、前記基板の厚肉部上に設けられてもよい。この場合、水平方向において厚肉部が形成された部分は、基板の他の部分、例えばメンブレンにおける空洞部上の部分、に較べて剛性が高いため、精度よく垂直圧力を検出することができる。
代案として、前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子の隣には、前記別の圧電素子が設けられてもよい。互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子及び前記別の圧電素子は、せん断力検出素子を提供する。せん断力検出素子は、少なくとも上部電極により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出する。これによれば、垂直圧力検出素子を利用して、静電容量式のせん断力検出素子を構成する。したがって、垂直圧力検出素子を利用せずにせん断力検出素子を設ける構成に較べて、構成を簡素化することができる。これにより、例えば水平方向において体格の小型化を図ることができる。
代案として、前記垂直圧力検出素子の上部電極は、前記水平方向において矩形状をなしてもよい。前記垂直圧力検出素子の上部電極の矩形形の各辺に対して、前記別の圧電素子の上部電極が対向配置される。前記垂直圧力検出素子の上部電極に対向配置された前記別の圧電素子の上部電極は、互いに電気的に分離されている。これによれば、水平方向の2軸において、せん断力を検出することができる。すなわち、垂直圧力と合わせて3軸力を検出することができる。
代案として、少なくとも前記せん断力検出素子を構成する前記垂直圧力検出素子及び前記別の圧電素子の上部電極上には、該上部電極と電気的に接続され、前記水平方向において矩形状をなす柱部が形成されてもよい。前記垂直圧力検出素子の柱部の矩形の各辺に対して、前記別の圧電素子の柱部が対向配置される。前記せん断力検出素子は、前記上部電極と前記柱部とにより構成される。前記垂直圧力検出素子において、前記突起部は、前記柱部を介して前記上部電極上に形成されている。これによれば、上部電極と柱部により、せん断力検出素子を構成する1組の容量電極が構成される。したがって、せん断力検出素子が上部電極のみからなる構成に較べて、容量電極の対向面積を大きくし、初期の静電容量値を大きくすることができる。また、容量電極が変形しやすいため、容量電極の対向距離の変化量を大きくすることができる。
代案として、前記垂直圧力検出素子の柱部のほうが、該垂直圧力検出素子に隣り合う別の圧電素子の柱部よりも、前記水平方向における断面積が小さくてもよい。これによれば、垂直圧力検出素子の柱部が変形しやすいため、水平方向の2軸において、せん断力の検出感度を向上することができる。
代案として、前記柱部は、前記上部電極よりもヤング率の低い材料を用いて形成されてもよい。これによれば、上部電極のみにより、同じ高さの容量電極を形成する構成に較べて、容量電極を変形しやすくすることができる。
代案として、前記空洞部は、複数の空洞部分を有してもよい。超音波素子は、複数の超音波素子部分を有する。各超音波素子部分は、対応する空洞部分上に位置する。複数の超音波素子部分は、互いに電気的に分離されている。複数の前記超音波素子部分は、超音波を送信する少なくとも一つの超音波送信素子と、超音波を受信する複数の超音波受信素子とを有する。これによれば、1つの基板に、少なくとも1つの送信用の超音波素子と、複数の受信用の超音波素子が集積されるため、1つの基板、すなわち1つの把持用センサの出力から、把持対象物の実態像(大きさや位置)を掴むことができる。
代案として、前記垂直圧力検出素子は、複数の垂直圧力検出素子部分を有してもよい。前記水平方向において、複数の前記垂直圧力検出素子部分は分散して設けられている。これによれば、把持対象物の形状や大きさによらず、垂直圧力などを検出することができる。
本開示の第二の態様において、ロボットハンド駆動制御装置は、前記超音波送信素子と複数の前記超音波受信素子とを有する本開示の第一の態様に記載の複合デバイスと、前記超音波送信素子から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段と、前記時間情報と、前記超音波素子にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段と、複数の前記超音波素子にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段と、前記距離算出手段にて算出された距離と、前記硬度算出手段にて算出された硬度と、前記実体像算出手段にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段と、前記垂直圧力検出素子の検出信号に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段と、前記垂直圧力算出手段にて算出された垂直圧力を用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段と、を備える。
上記のロボットハンド駆動制御装置において、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。また、垂直圧力を算出し、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を補正(フィードバック制御)することができる。
本開示の第三の態様において、ロボットハンド駆動制御装置は、前記超音波送信素子と複数の前記超音波受信素子とを有する本開示の第一の態様に記載の複合デバイスと、前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子の隣には、前記別の圧電素子が設けられ、互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子及び前記別の圧電素子は、せん断力検出素子を提供し、せん断力検出素子は、少なくとも上部電極により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出し、前記超音波送信素子から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンドにより把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段と、前記時間情報と、前記超音波受信素子にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段と、複数の前記超音波受信素子にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段と、前記距離算出手段にて算出された距離と、前記硬度算出手段にて算出された硬度と、前記実体像算出手段にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンドの駆動を制御する把持制御手段と、前記垂直圧力検出素子の検出信号に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段と、前記せん断力検出素子の検出した静電容量値に基づいて、前記把持制御手段による駆動制御が完了した時点での前記水平方向に加わるせん断力を算出するせん断力算出手段と、前記垂直圧力算出手段にて算出された垂直圧力と、前記せん断力算出手段にて算出されたせん断力とを用いて、前記ロボットハンドによる把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段と、を備える。
上記のロボットハンド駆動制御装置において、把持対象物との距離だけでなく、把持対象物の硬度を算出することができる。このため、算出された硬度に応じた圧力や速度で把持対象物を掴むことができる。また、把持対象物の位置及び大きさを算出することもできるため、精度よく把持対象物を掴むことができる。また、垂直圧力を算出し、算出した垂直圧力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を補正(フィードバック制御)することができる。さらに、せん断力を算出することができる。このため、上記した垂直圧力とせん断力に基づいて、ロボットハンドによる把持対象物の把持状態を、より精度よく補正(フィードバック制御)することができる。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
Claims (12)
- 厚肉部(14)と、該厚肉部(14)に取り囲まれた空洞部(16)と、該空洞部(16)を架橋して前記厚肉部(14)上に形成されたメンブレン(18)と、を有する基板(12)と、
前記メンブレン(18)における厚肉部(14)と反対の一面(12a)上に、下部電極(32)、圧電体膜(34)、上部電極(36)の順に積層形成された複数の圧電素子(30)と、を備え、
前記圧電素子(30)は、互いに電気的に分離されており、
一部の前記圧電素子(30)は、電気絶縁性材料からなる突起部(38)を有し、
突起部(38)は、上部電極(36)上に形成され、
当該一部の前記圧電素子(30)は、前記圧電素子(30)が積層された垂直方向に加わる垂直圧力を検出するための垂直圧力検出素子(40)を提供し、
複数の前記圧電素子(30)は、さらに、超音波の送信及び超音波の受信の少なくとも一方を実施する超音波素子(42、74)を有し、
超音波素子(42、74)は、前記垂直圧力検出素子(40)とは別の圧電素子(30)であり、
該超音波素子(42、74)は、前記垂直方向に直交する水平方向において、少なくとも前記基板(12)の空洞部(16)上に設けられている複合デバイス。 - 前記複合デバイスは、把持対象物を把持する際に用いられる把持センサである請求項1に記載の複合デバイス。
- 前記垂直圧力検出素子(40)は、前記水平方向において、前記基板(12)の厚肉部(14)上に設けられている請求項1または2に記載の複合デバイス。
- 前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子(40)の隣には、前記別の圧電素子(42、74)が設けられ、
互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子(40)及び前記別の圧電素子(42、74)は、せん断力検出素子(72)を提供し、
せん断力検出素子(72)は、少なくとも上部電極(36)により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出する請求項1-3のいずれかひとつに記載の複合デバイス。 - 前記垂直圧力検出素子(40)の上部電極(36)は、前記水平方向において矩形状をなし、
前記垂直圧力検出素子(40)の上部電極(36)の矩形形の各辺に対して、前記別の圧電素子(42、74)の上部電極(36)が対向配置され、
前記垂直圧力検出素子(40)の上部電極(36)に対向配置された前記別の圧電素子(42、74)の上部電極(36)は、互いに電気的に分離されている請求項4に記載の複合デバイス。 - 少なくとも前記せん断力検出素子(72)を構成する前記垂直圧力検出素子(40)及び前記別の圧電素子(42、74)の上部電極(36)上には、該上部電極(36)と電気的に接続され、前記水平方向において矩形状をなす柱部(76)が形成され、
前記垂直圧力検出素子(40)の柱部(76)の矩形の各辺に対して、前記別の圧電素子(74,42)の柱部(76)が対向配置され、
前記せん断力検出素子(72)は、前記上部電極(36)と前記柱部(76)とにより構成され、
前記垂直圧力検出素子(40)において、前記突起部(38)は、前記柱部(76)を介して前記上部電極(36)上に形成されている請求項5に記載の複合デバイス。 - 前記垂直圧力検出素子(40)の柱部(76)のほうが、該垂直圧力検出素子(40)に隣り合う別の圧電素子(74,42)の柱部(76)よりも、前記水平方向における断面積が小さい請求項6に記載の複合デバイス。
- 前記柱部(76)は、前記上部電極(36)よりもヤング率の低い材料を用いて形成される請求項6又は請求項7に記載の複合デバイス。
- 前記空洞部(16)は、複数の空洞部分(16)を有し、
超音波素子(42)は、複数の超音波素子部分(42)を有し、
各超音波素子部分(42)は、対応する空洞部分(16)上に位置し、
複数の超音波素子部分(42)は、互いに電気的に分離されており、
複数の前記超音波素子部分(42)は、超音波を送信する少なくとも一つの超音波送信素子(42a)と、超音波を受信する複数の超音波受信素子(42a,42b)とを有する請求項1~8いずれか1項に記載の複合デバイス。 - 前記垂直圧力検出素子(40)は、複数の垂直圧力検出素子部分(40)を有し、
前記水平方向において、複数の前記垂直圧力検出素子部分(40)は分散して設けられている請求項1~9いずれか1項に記載の複合デバイス。 - 前記超音波送信素子(42a)と複数の前記超音波受信素子(42a,42b)とを有する請求項9に記載の複合デバイス(10)と、
前記超音波送信素子(42a)から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子(42a,42b)にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンド(200)により把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段(S13)と、
前記時間情報と、前記超音波素子(42a,42b)にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段(S14)と、
複数の前記超音波素子(42a,42b)にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段(S15)と、
前記距離算出手段(S13)にて算出された距離と、前記硬度算出手段(S14)にて算出された硬度と、前記実体像算出手段(S15)にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンド(200)の駆動を制御する把持制御手段(S16)と、
前記垂直圧力検出素子(40)の検出信号に基づいて、前記把持制御手段(S16)による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段(S18)と、
前記垂直圧力算出手段(S18)にて算出された垂直圧力を用いて、前記ロボットハンド(200)による把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段(S20)と、を備えるロボットハンド駆動制御装置。 - 前記超音波送信素子(42a)と複数の前記超音波受信素子(42a,42b)とを有する請求項9に記載の複合デバイス(10)と、前記水平方向において、前記垂直圧力検出素子(40)の隣には、前記別の圧電素子(42、74)が設けられ、互いに隣り合う前記垂直圧力検出素子(40)及び前記別の圧電素子(42、74)は、せん断力検出素子(72)を提供し、せん断力検出素子(72)は、少なくとも上部電極(36)により、前記水平方向に加わるせん断力を静電容量値の変化として検出し、
前記超音波送信素子(42a)から超音波が送信され、該超音波の反射波が前記超音波受信素子(42a,42b)にて受信されるまでの時間情報に基づいて、ロボットハンド(200)により把持される把持対象物までの距離を算出する距離算出手段(S13)と、
前記時間情報と、前記超音波受信素子(42a,42b)にて受信した反射波の振幅を示す振幅情報に基づいて、前記把持対象物の硬度を算出する硬度算出手段(S14)と、
複数の前記超音波受信素子(42a,42b)にて受信した反射波の位相差を示す位相差情報に基づいて、前記把持対象物の位置及び大きさを算出する実体像算出手段(S15)と、
前記距離算出手段(S13)にて算出された距離と、前記硬度算出手段(S14)にて算出された硬度と、前記実体像算出手段(S15)にて算出された位置及び大きさとを用いて、前記把持対象物を把持するためのロボットハンド(200)の駆動を制御する把持制御手段(S16)と、
前記垂直圧力検出素子(40)の検出信号に基づいて、前記把持制御手段(S16)による駆動制御が完了した時点での垂直圧力を算出する垂直圧力算出手段(S18)と、
前記せん断力検出素子(72)の検出した静電容量値に基づいて、前記把持制御手段(S16)による駆動制御が完了した時点での前記水平方向に加わるせん断力を算出するせん断力算出手段(S21)と、
前記垂直圧力算出手段(S18)にて算出された垂直圧力と、前記せん断力算出手段(S21)にて算出されたせん断力とを用いて、前記ロボットハンド(200)による把持対象物の把持状態をフィードバック制御する把持補正手段(S20)と、を備えるロボットハンド駆動制御装置。
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