(57)【要約】【課題】印加される力を検出する分解能の低下を抑制しつつ簡便にダイナミックレンジを拡げることができるセンサシステム等を提供すること。【解決手段】本発明に係るセンサシステム１０は、基準平面９１Ａを有する基板９１と、基板９１に設置され、受力部に受ける物体からの外力に応じて、基準平面９１Ａに直交する直交軸方向と基準平面９１Ａに平行な２軸方向とにそれぞれ対応する３軸方向の信号をそれぞれ出力する複数の力覚センサ１１と、信号の値が予め設定された閾値を超えているか否かをそれぞれ判断し、判断の結果に基づいて、物体から受ける直交軸方向の押圧力または直交軸周りのモーメントの演算をする制御部１５と、演算の結果である演算結果を出力する出力部１７とを備える。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準平面を有する基板と、
前記基板に設置され、受力部に受ける物体からの外力に応じて、前記基準平面に直交する直交軸方向と前記基準平面に平行な２軸方向とにそれぞれ対応する３軸方向の信号をそれぞれ出力する複数の力覚センサと、
前記信号の値が予め設定された閾値を超えているか否かをそれぞれ判断し、前記判断の結果に基づいて、前記物体から受ける前記直交軸方向の押圧力または前記直交軸周りのモーメントの演算をする制御部と、
前記演算の結果である演算結果を出力する出力部と
を備えるセンサシステム。
【請求項２】
前記複数の力覚センサは、静電容量型のセンサである
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項３】
前記基板は、前記基準平面に平行な頂面を含む凸部を有し、
前記複数の力覚センサは、前記基準平面と前記頂面とにそれぞれ設置される
請求項１または２に記載のセンサシステム。
【請求項４】
前記凸部は、前記直交軸方向に圧縮可能である
請求項３に記載のセンサシステム。
【請求項５】
前記センサシステムは、前記受力部に着接し、前記物体を把持する際に前記物体に当接する当接面を含む当接部をさらに備え、
前記複数の力覚センサは、第１力覚センサと第２力覚センサとを有し、
前記第1力覚センサの前記受力部に着接する前記当接部の前記当接面から前記基準平面までの高さが、前記第２力覚センサの前記受力部に着接する前記当接部の前記当接面から前記基準平面までの高さより高い
請求項１または２に記載のセンサシステム。
【請求項６】
前記当接部は、前記直交軸方向に圧縮可能である
請求項５に記載のセンサシステム。
【請求項７】
前記制御部は、前記３軸方向の全てに対応する信号が前記閾値を超えない力覚センサが出力する信号に基づいて前記演算をする
請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサシステム。
【請求項８】
前記制御部は、前記複数の力覚センサが出力する前記直交軸方向に対応する信号の内、前記閾値を超えない信号を出力した力覚センサが出力する信号に基づいて前記直交軸方向の押圧力を演算する
請求項１〜７のいずれか一項に記載のセンサシステム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のセンサシステムを備えるロボットハンドであって、
前記ロボットハンドは、
前記基板および前記複数の力覚センサを含み、物体を把持する複数の把持部と、
前記複数の把持部を対向するように近付ける駆動部と、を備える
ロボットハンド。
【請求項１０】
請求項９に記載のロボットハンドが行うセンサシステムの較正方法であって、
較正の基準となる基準物体を把持するステップと、
前記基準平面が重力方向に対して水平または垂直になるように前記ロボットハンドの姿勢を制御するステップと、
前記姿勢において前記センサシステムが出力した前記演算結果に対して較正を行うか否かを判断するステップと、
前記判断に基づいて前記出力を較正するための較正値を設定するステップと
を備えたセンサシステムの較正方法。
【請求項１１】
請求項９に記載のロボットハンドが行うセンサシステムの較正方法であって、
較正の基準となる基準物体を把持するステップと、
前記基準平面が重力方向に対して水平または垂直になるように前記ロボットハンドの姿勢を制御するステップと、
前記姿勢において前記センサシステムが出力した前記演算結果に対して較正を行うか否かを判断するステップと、
前記判断に基づいて前記出力を較正するための較正値を設定するステップと
を備えたセンサシステムの較正方法を、コンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサシステム、ロボットハンド、センサシステムの較正方法、およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の軸方向の圧力や複数の軸周りのモーメントを検出する力覚センサの開発が行われている。また、このような力覚センサを複数用いることによりセンサシステムを構成し、ロボットハンド等に応用する提案が行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、力覚センサの接触子に対して水平方向に働く物理量情報を導出することができる物理量導出装置等が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１５８４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような力覚センサを用いて物体から印加される力を検出する場合において、設置しているセンサシステムが検出できる力の大きさの幅すなわちダイナミックレンジを超えた場合には、印加されている力を正しく検出することができない。しかしながら、センサシステムのダイナミックレンジを拡げるためには、力覚センサの力学的特性を変更したり、あるいは、分解能を犠牲にした構造を採用したりしなければならない。センサシステムのダイナミックレンジが異なる度に最適な力覚センサを選択することは設計者にとって負担が大きい。また、分解能を犠牲にした構造を採用することは、センサシステムの設計として好ましくない。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、印加される力を検出する分解能の低下を抑制しつつ簡便にダイナミックレンジを拡げることができるセンサシステム等を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るセンサシステムは、基準平面を有する基板と、上記基板に設置され、受力部に受ける物体からの外力に応じて、上記基準平面に直交する直交軸方向と上記基準平面に平行な２軸方向とにそれぞれ対応する３軸方向の信号をそれぞれ出力する複数の力覚センサと、上記信号の値が予め設定された閾値を超えているか否かをそれぞれ判断し、上記判断の結果に基づいて、上記物体から受ける上記直交軸方向の押圧力または上記直交軸周りのモーメントの演算をする制御部と、上記演算の結果である演算結果を出力する出力部とを備える。
【０００８】
このような構成により、センサシステムは、複数の力覚センサから取得した信号から直交軸方向の押圧力または直交軸周りのモーメントの演算を行うための演算用信号を選択したうえで押圧力またはモーメントを演算することができる。
【０００９】
上記センサシステムにおいて、複数の力覚センサは、静電容量型のセンサであってもよい。これによりセンサシステムは好適に押圧力またはモーメントの演算をすることができる。
【００１０】
上記センサシステムにおいて、上記基板は、上記基準平面に平行な頂面を含む凸部を有し、上記複数の力覚センサは、上記基準平面と頂面とにそれぞれ設置されるものであってもよい。これにより、センサシステムは分解能の低下を抑制しつつダイナミックレンジを拡げることができる。
【００１１】
上記センサシステムにおいて、上記凸部は、上記直交軸方向に圧縮可能であることが好ましい。これにより、センサシステムは、好適にダイナミックレンジを拡げることができる。
【００１２】
上記センサシステムにおいて、上記センサシステムは、上記受力部に着接し、上記物体を把持する際に上記物体に当接する当接面を含む当接部をさらに備え、上記複数の力覚センサは、第１力覚センサと第２力覚センサとを有し、上記第1力覚センサの上記受力部に着接する上記当接部の上記当接面から上記基準平面までの高さが、上記第２力覚センサの上記受力部に着接する上記当接部の上記当接面から上記基準平面までの高さより高いものであってもよい。このような構成により、組み立てが容易かつ簡便にダイナミックレンジを拡げることが可能なセンサシステムを提供することができる。
【００１３】
上記センサシステムにおいて、上記当接部は、上記直交軸方向に圧縮可能であってもよい。これによりセンサシステムは、好適にダイナミックレンジを拡げることができる。
【００１４】
上記センサシステムにおいて、上記制御部は、上記３軸方向の全てに対応する信号が上記閾値を超えない力覚センサが出力する信号に基づいて上記演算をするものであってもよい。これにより精度の高い演算をすることができる。
【００１５】
上記センサシステムにおいて、上記制御部は、上記複数の力覚センサが出力する上記直交軸方向に対応する信号の内、上記閾値を超えない信号を出力した力覚センサが出力する信号に基づいて上記直交軸方向の押圧力を演算するものであってもよい。これにより精度の高い押圧力の演算をすることができる。
【００１６】
本発明の１態様におけるロボットハンドは、上記基板および上記複数の力覚センサを含み、物体を把持する複数の把持部と、上記複数の把持部を対向するように近付ける駆動部とを備え、上記いずれかに記載のセンサシステムを備えるものである。これによりロボットハンドは分解能の低下を抑制しつつ、ダイナミックレンジを拡げることができる。
【００１７】
本発明の１態様におけるセンサシステムの較正方法は、較正の基準となる基準物体を把持するステップと、上記基準平面が重力方向に対して水平または垂直になるように上記ロボットハンドの姿勢を制御するステップと、上記姿勢において上記センサシステムが出力した上記演算結果に対して較正を行うか否かを判断するステップと、上記判断に基づいて上記出力を較正するための較正値を設定するステップとを備える。これにより、簡便に力覚センサの較正を実行することができる。
【００１８】
本発明の１態様におけるセンサシステムの較正プログラムは、較正の基準となる基準物体を把持するステップと、上記基準平面が重力方向に対して水平または垂直になるように上記ロボットハンドの姿勢を制御するステップと、上記姿勢において上記センサシステムが出力した上記演算結果に対して較正を行うか否かを判断するステップと、上記判断に基づいて上記出力を較正するための較正値を設定するステップとを備えたセンサシステムの較正方法を、コンピュータに実行させるものである。これにより、簡便に力覚センサの較正を実行することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、印加される力を検出する分解能の低下を抑制しつつ簡便にダイナミックレンジを拡げることができるセンサシステム等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係るロボットハンドの外観斜視図である。
【図２】把持部の構成を示す図である。
【図３】把持部の構成を示す図である。
【図４】力覚センサをｚ軸プラス側から見た分解斜視図である。
【図５】力覚センサをｘｚ平面から見た断面図である。
【図６】力覚センサの可動部の動きについて説明するための斜視図である。
【図７】力覚センサの容量が変化する原理を説明するための斜視図である。
【図８】実施の形態に係るセンサシステムの機能ブロック図である。
【図９】センサシステムの処理を示すフローチャートである。
【図１０】ロボットハンドが物体を把持している状態を示す外観斜視図である。
【図１１】第１フィンガー部に対してｚ軸方向の押圧力が印加されている状態の一例を示した図である。
【図１２】第１フィンガー部に対してｚ軸方向の押圧力が印加されている状態の別の例を示した図である。
【図１３】力覚センサの信号とｚ軸方向の押圧力との関係を示したグラフである。
【図１４】力覚センサにかかるモーメントを説明するための図である。
【図１５】センサシステムの較正を行うロボットハンドの状態を示す外観斜視図である。
【図１６】第１フィンガー部の詳細を説明するための図である。
【図１７】センサシステムが行う較正処理のフローチャートである。
【図１８】較正処理を行うロボットハンドを説明するための図である。
【図１９】較正処理を行うロボットハンドを説明するための図である。
【図２０】実施の形態の変形例１を説明するための図である。
【図２１】実施の形態の変形例２を説明するための図である。
【図２２】実施の形態の変形例３を説明するための図である。
【図２３】実施の形態の変形例４を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
【００２２】
図１は、本実施形態に係るロボットハンド１の外観斜視図である。なお、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものとして、図１は、右手系の直交座標系が付されている。また、図２以降において、直交座標系が付されている場合、図１のｘ軸方向と、これらの直交座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸方向はそれぞれ一致している。
【００２３】
ロボットハンド１は、物体を把持し、把持した物体を所定の位置に移動させる装置である。ロボットハンド１は、主な構成として、基台２、第１アーム３、第１関節４、第２アーム５、第２関節６、第３アーム７、第３関節８、第１フィンガー部９Ｒ、第２フィンガー部９Ｌを有している。
【００２４】
基台２は、任意の位置に固定され、ロボットハンド１全体を支持する支持台である。基台２は扁平円柱形状をしており、円形の底面が任意の載置面に載置され、上面には第１アーム３が接続されている。第１アーム３は基台２から上方に延伸する棒状部材であり、上端が第１関節４に接続されている。
【００２５】
第１関節４は第１アーム３と第２アーム５とにそれぞれ接続しており、ＸＺ面に平行な回動軸周りに第１アーム３と第２アーム５とを所定の範囲で相対的に回動させる。第１関節４は第１アーム３と第２アーム５とを相対的に回動させるためのモータを有している。第２アーム５は一端が第１関節４に接続する棒状部材である。第２アーム５は、第１関節４から第１関節４の回動軸と直交する方向に延伸し、他端が第２関節６に接続している。
【００２６】
第２関節６は第２アーム５と第３アーム７とにそれぞれ接続しており、ＸＺ面に平行な回動軸周りに第２アーム５と第３アーム７とを所定の範囲で相対的に回動させる。第２関節６は第２アーム５と第３アーム７とを相対的に回動させるためのモータを有している。第３アーム７は一端が第２関節６に接続する棒状部材である。第３アーム７は、第２関節６から第２関節６の回動軸と直交する方向に延伸し、他端が第３関節８に接続している。
【００２７】
第３関節８は第３アーム７に接続し、第２関節６の回動軸に直交する軸周りに回動する。第３関節８は、第２関節６の回動軸に直交する軸周りに回動するためのモータを有している。また、第３関節８は第３アーム７に接続する側と反対の側に、第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌが接続されている。第３関節８は、第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌを互いに近付けたり離したりさせるための駆動部を有している。
【００２８】
第３関節８はまた、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置を含む基板である信号処理部８１を有している。信号処理部８１は、複数の力覚センサ１１に接続している。信号処理部８１は、力覚センサ１１からの信号を取得し、取得した信号を処理し、処理結果を出力する。
【００２９】
第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌは、両者が互いに離れ、そして近づく動作をすることにより物体を把持する機能を有する。第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌは、一端が第３関節８に接続されており、互いに離れる方向に延伸し、中間部で同じ方向に直角に折れ曲がり、他端同士が対向するように配置されている略L字状の部材である。第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌの先端部には、把持部９１が互いに対向するように設けられている。第１フィンガー部９Ｒおよび第２フィンガー部９Ｌがそれぞれ有する把持部９１が対向する面である基準平面９１Ａには、複数の力覚センサ１１が設置されている。力覚センサ１１は、信号処理部８１に接続されており、受けた外力に応じて出力される信号を信号処理部８１に供給する。
【００３０】
図１に示したロボットハンド１は、センサシステム１０を有している。センサシステム１０は、ロボットハンド１が把持した物体から受ける３軸方向の押圧力および基準平面９１Ａに直交する軸（図１のｚ軸）周りのモーメントを検出し、検出した押圧力およびモーメントを出力するシステムである。センサシステム１０は、上述の把持部９１が有する複数の力覚センサ１１と、力覚センサ１１が出力した信号を処理する信号処理部８１に含まれる機能とにより構成される。センサシステム１０の構成の詳細については、後述する。
【００３１】
次に、図２および図３を参照しながら、把持部９１の詳細について説明する。図２および図３は、把持部９１の構成を示す図である。図２は、図１の第１フィンガー部９Ｒの先端をＸＹ平面に沿ってｚ軸プラス側から観察した場合の構成を示している。図３は、図２の把持部９１をＸＺ面に沿ってｙ軸マイナス側から観察した場合の構成を示している。
【００３２】
把持部９１は、物体を把持する際に物体に当接する構成が配置される基板である。把持部９１は、例えばガラスやエポキシ樹脂等を主成分とする基板である。把持部９１は、略矩形状の板状部材で形成されており、物体に当接する側に基準平面９１Ａを有している。
【００３３】
把持部９１には、基準平面９１Ａの中央部近傍に４個の力覚センサ１１が配置されている。基準平面９１Ａ上に配置されている力覚センサ１１は、把持部９１上に通信可能に実装されている。力覚センサ１１から把持部９１に送られた信号は、把持部９１の信号線を介して信号処理部８１に供給される。
【００３４】
基準平面９１Ａの４個の角部近傍には、凸部１２がそれぞれ設けられている。凸部１２は、基準平面９１Ａに設けられた四角錐台状の部材である。凸部１２は四角錐台の下底に相当する底面が基準平面９１Ａに接着され、四角錐台の上底に相当する頂面に力覚センサ１１が設けられている。凸部１２は、ｚ軸方向に圧縮可能かつ復元力を有する材質の表面に、可撓性を有するフレキシブル基板が接着されている。ｚ軸方向に圧縮可能かつ復元力を有する材質は、例えば、シリコンゴム、ウレタンスポンジ、ドーム形状のポリカーボネート等である。なお、凸部１２は、力覚センサ１１の受力部に外力を受けた場合には、力覚センサ１１が外力を受けたことを検出することを妨げない程度の剛性を有している。例えば、力覚センサ１１が可撓性を有する受力部を有する場合に、凸部１２は、受力部よりも高い剛性を有する。
【００３５】
凸部１２の表面に接着されているフレキシブル基板には、力覚センサ１１が実装されている。凸部１２は把持部９１の基準平面９１Ａ上に圧縮可能に接着されることにより、フレキシブル基板が凸部１２の圧縮動作を妨げないように把持部９１と通信可能に接続されている。力覚センサ１１からフレキシブル基板を介して把持部９１に送られた信号は、把持部９１の信号線を介して信号処理部８１に供給される。
【００３６】
図２に示すように、把持部９１は、基準平面９１Ａ上において、凸部１２の頂面上に４個の力覚センサ１１（１）、１１（４）、１１（５）、１１（８）と、基準平面９１Ａ上に４個の力覚センサ１１（２）、１１（３）、１１（６）、１１（７）とを有している。
【００３７】
力覚センサ１１は、外力を受けるセンサであって、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の技術を利用して構成されるＭＥＭＳセンサである。力覚センサ１１の中央部には、物体に当接する当接部１３が設けられている。ロボットハンド１が物体を把持する場合に、各力覚センサ１１が有する当接部１３が物体に当接する。力覚センサ１１は、当接部１３から受ける外力に対応する信号を出力する。なお、力覚センサ１１の詳細については後述する。
【００３８】
図３に示すように、基準平面９１Ａ上に設けられた力覚センサ１１（７）は、基準平面９１Ａから当接部１３の当接面までの高さがＺＢである。ここで、当接面とは、ロボットハンド１が物体を把持する際に、当接部１３が物体と当接する面をいう。すなわち、図３において、当接面は当接部１３におけるｚ軸プラス側の面である。凸部１２上に設けられた力覚センサ１１（８）は、基準平面９１Ａから当接部１３の当接面までの高さがＺＡである。図示のように、凸部１２上に設けられた力覚センサ１１（８）に係る高さＺＡは、基準平面９１Ａ上に設けられた力覚センサ１１（７）に係る高さＺＢよりも凸部１２の高さＺ１の分だけ高くなっている。
【００３９】
次に、図４〜図７を参照しながら、力覚センサ１１について説明する。図４は、力覚センサ１１をｚ軸プラス側から見た分解斜視図である。図５は、力覚センサをｘｚ平面から見た断面図である。力覚センサ１１は、ｚ軸に直交する面を主面とする四角柱状の形態を呈しており、主面は略正方形を呈している。力覚センサ１１は、３軸方向の押圧力を出力する静電容量型のセンサである。すなわち、力覚センサ１１は、複数の電極を有している。電極の構成については、後述する。力覚センサ１１は主な構成として、第１のシリコン層１００、第２のシリコン層１１５、接合部１２２、および封止基板１１７を有している。
【００４０】
第１のシリコン層１００は、後述するシーソー部を支持する支持基板でもある。また第１のシリコン層１００は、導電性を有するシリコン層である。第１のシリコン層１００の背面中央部にダイアフラム１１０が形成されており、さらにダイアフラム１１０の内側の中央部に突起状の受力部１１１が形成されている。ダイアフラム１１０および受力部１１１は、第１のシリコン層１００の外形と同様に、上面視で略正方形状である。ダイアフラム１１０は、第１のシリコン層１００の周辺部１０９よりも膜厚の薄い薄肉部であり、可撓性を有し、受力部１１１への力の印加に応じて弾性変形する。第１のシリコン層１００は所定の膜厚であり、受力部１１１を除く中央部をｚ軸プラス側からエッチングにより膜厚を薄くすることで、ダイアフラム１１０が形成されている。なお、受力部１１１は周辺部１０９と同じ厚さでもよいし、周辺部１０９より厚く形成されていてもよい。受力部１１１は、第１受力部の上面に当接部１３を連結し、当接部１３を介して外力を受けるように構成されている。
【００４１】
第１のシリコン層１００の下面側の第２のシリコン層１１５では、中央部に受力片１１６が形成され、受力片１１６の周囲に４個のシーソー部１１３ａ〜１１３ｄが形成されている。受力片１１６のｘ軸方向両側にシーソー部１１３ａおよび１１３ｃが配置され、受力片１１６のｙ軸方向両側にシーソー部１１３ｂおよび１１３ｄが配置されている。受力片１１６とシーソー部１１３ａ〜１１３ｄは、それぞれヒンジビーム１１２ａ〜１１２ｄ（いずれかをヒンジビーム１１２とも称する）により連結されている。
【００４２】
第２のシリコン層１１５は所定の膜厚であり、エッチングすることにより、受力片１１６、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄ、ヒンジビーム１１２ａ〜１１２ｄ等が形成されている。第２のシリコン層１１５は、第１のシリコン層１００と同様に、導電性を有するシリコン層であり、受力片１１６、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄ、ヒンジビーム１１２ａ〜１１２ｄ等の全体が導通し、電気的に接続されている。
【００４３】
第１のシリコン層１００と第２のシリコン層１１５との間には、絶縁層１０７が設けられている。絶縁層１０７は犠牲エッチングにより加工されており、第２シリコン層１１５の周辺部１１５ａと第１のシリコン層１００とを接合している。また、絶縁層１０７は受力部１１１と受力片１１６とを接合している。
【００４４】
シーソー部１１３ａのｙ軸プラス側およびｙ軸マイナス側のそれぞれの辺からは、ｙ軸に平行かつ同軸上にトーションビーム１１４ａが延伸している。シーソー部１１３ｂのｘ軸プラス側およびｘ軸マイナス側のそれぞれの辺からは、ｘ軸に平行かつ同軸上にトーションビーム１１４ｂが延伸している。シーソー部１１３ｃのｙ軸プラス側およびｙ軸マイナス側のそれぞれの辺からは、ｙ軸に平行かつ同軸上にトーションビーム１１４ｃが延伸している。シーソー部１１３ｄのｘ軸プラス側およびｘ軸マイナス側のそれぞれの辺からは、ｘ軸に平行かつ同軸上にトーションビーム１１４ｄが延伸している。シーソー部１１３ａ〜１１３ｄは，トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄによりそれぞれ周辺部１１５ａに連結されている。トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄは捩れることのできるビーム構造となっている。したがって、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄは、それぞれが支持されているトーションビーム１１４ａ〜１１４ｄを軸として回転可能に支持されている。トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄは、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄの回転軸と称されてもよい。
【００４５】
第２のシリコン層１１５は、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄの周囲に周辺部１１５ａが形成されている。周辺部１１５ａは、トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄと接続することによりシーソー部１１３を支持している。
【００４６】
受力片１１６のｘ軸マイナス側において、受力片１１６と、シーソー部１１３ａとは、対向するそれぞれの辺の中央部がヒンジビーム１１２ａにより連結されている。受力片１１６のｙ軸プラス側において、受力片１１６と、シーソー部１１３ｂとは、対向するそれぞれの辺の中央部がヒンジビーム１１２ｂにより連結されている。受力片１１６のｘ軸プラス側において、受力片１１６と、シーソー部１１３ｃとは、対向するそれぞれの辺の中央部がヒンジビーム１１２ｃにより連結されている。受力片１１６のｙ軸マイナス側において、受力片１１６と、シーソー部１１３ｄとは、対向するそれぞれの辺の中央部がヒンジビーム１１２ｄにより連結されている。ヒンジビーム１１２ａとヒンジビーム１１２ｃとはｘ軸に平行且つ同軸上に設けられている。ヒンジビーム１１２ｂとヒンジビーム１１２ｄとはｙ軸に平行且つ同軸上に設けられている。ヒンジビーム１１２ａ〜１１２ｄは、しなり、捩れることのできるビーム構造となっており、トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄにより構成される回転軸に対し垂直に向かって伸びている。
【００４７】
このような構成により、受力片１１６は、ヒンジビーム１１２ａおよび１１２ｃを軸として回転可能に支持されている。また、受力片１１６は、ヒンジビーム１１２ｂおよび１１２ｄを軸として回転可能に支持されている。また、受力片１１６は、ｚ軸方向に平行に変位可能に支持されている。換言すると、受力片１１６は、受力部１１１が受けた外力に応じて、ｚ軸方向と、ｘ軸周りと、ｙ軸周りとにそれぞれ従動する。さらに、受力部１１１は、外力をシーソー部１１３ａ〜１１３ｄに伝達する。伝達された力によってシーソー部１１３ａ〜１１３ｄが回転方向に変位すると、力覚センサ１１は、力覚センサ１１が受けた３軸方向の押圧力を出力する。
【００４８】
第２のシリコン層１１５のうち、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄの外側の周辺部１１５ａには、貫通電極１２１が形成されている。貫通電極１２１は、第２のシリコン層１１５および絶縁層１０７を貫通し、第１のシリコン層１００と第２のシリコン層１１５および接合部１２２とを電気的に接続する。
接合部１２２は、力覚センサ１１の周辺部において、シーソー部１１３および受力片１１６を囲むように、第２のシリコン層１１５と封止基板１１７とを封止接合している。接合部１２２は、導電性を有する金属拡散接合部材であり、例えば、Ｃｕ−Ｓｎ（銅−錫）合金等である。
【００４９】
封止基板１１７は、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄ、受力片１１６を含む可動部全体を封止する基板である。封止基板１１７は、例えば、シリコン基板、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic：低温同時焼成セラミックス）基板、ＬＳＩ（Large Scale Integration）などである。例えば、封止基板１１７中には上面側の電極電位を下面側に引き出すビア（不図示）が配置され、封止基板１１７の背面（下面側）にはこのビアにつながった外部端子（不図示）が配置され、外部の検出回路等が接続される。また、必要に応じて、封止基板１１７の内部には、検出回路等の回路や配線が設けられる。封止基板１１７は、ＬＳＩで構成することが好ましい。これにより、センサ構造に近い部分に処理回路を配置できるため、ノイズの影響を受けにくい。
【００５０】
封止基板１１７の上面側には、固定電極対１２０ａ〜１２０ｄが形成されている。固定電極対１２０ａは、固定電極１１８ａおよび１１９ａを含んでいる。同様に、固定電極対１２０ｂは、固定電極１１８ｂおよび１１９ｂを含み、固定電極対１２０ｃは、固定電極１１８ｃおよび１１９ｃを含み、そして、固定電極対１２０ｄは、固定電極１１８ｄおよび１１９ｄを含んでいる。
【００５１】
固定電極１１８ａ〜１１８ｄ、１１９ａ〜１１９ｄは、金属など導電性を有する導電膜であり、封止基板１１７上にパターニングされて形成されている。固定電極１１８ａ〜１１８ｄ、１１９ａ〜１１９ｄは、それぞれシーソー部１１３ａ〜１１３ｄに対応する位置に配置され、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄとともに容量素子を構成する。シーソー部１１３ａ〜１１３ｄの回転軸（トーションビーム１１４ａ〜１１４ｄ）に対し、外側に固定電極１１８ａ〜１１８ｄが配置され、内側に固定電極１１９ａ〜１１９ｄが配置されている。例えば、封止基板１１７中に配置されたビア（不図示）を介し外部の検出回路等で、あるいは封止基板１１７中に構成されたＬＳＩで、これら容量素子の静電容量を検出することができる。
【００５２】
次に、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）を参照しながら、力覚センサ１１の可動部の動きについて詳細を説明する。図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、力覚センサの動きを説明するための斜視図である。図６（Ａ）は、受力部１１１にｚ軸マイナス方向の押圧力ｆｚが加えられた場合の図である。図６（Ｂ）は、受力部１１１にｘ軸プラス方向の押圧力ｆｘが加えられた場合の図である。図６（Ｃ）は、受力部１１１にｙ軸マイナス方向の押圧力ｆｙが加えられた場合の図である。なお、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、説明の都合上、第１のシリコン層１００を省略して示している。
【００５３】
図６（Ａ）に示すように、受力部１１１にｚ軸マイナス方向の押圧力ｆｚが加えられた場合、受力部１１１および受力部１１１に接合されている受力片１１６は、ｘｙ平面に平行な状態を維持したまま、ｚ軸マイナス方向に変位する。これにより、シーソー部１１３ａはｘ軸プラス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転する。同様に、シーソー部１１３ｂはｙ軸マイナス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転し、シーソー部１１３ｃはｘ軸マイナス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転し、シーソー部１１３ｄはｙ軸プラス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転する。
【００５４】
図６（Ｂ）に示すように、受力部１１１にｘ軸プラス方向の押圧力ｆｘが加えられた場合、第１受力部１１１はｙ軸まわりに回転し、また受力片１１６を回転させる。また、シーソー部１１３ｂおよびシーソー部１１３ｄは回転せず、ヒンジビーム１１２ｂとヒンジビーム１１２ｄとがそれぞれ捩れることにより受力部１１１の回転運動の支点となる。一方、シーソー部１１３ａおよびシーソー部１１３ｃは、受力部１１１の動きに従い、受力部１１１とは反対方向に回転する。図６（Ｂ）においては、受力部１１１は、ｘ軸プラス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転している。そのため、シーソー部１１３ａおよびシーソー部１１３ｃは、ｘ軸マイナス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転している。
【００５５】
図６（Ｃ）に示すように、受力部１１１にｙ軸マイナス方向の押圧力ｆｙが加えられた場合、第１受力部１１１はｘ軸まわりに回転し、また受力片１１６を回転させる。また、シーソー部１１３ａおよびシーソー部１１３ｃは回転せず、ヒンジビーム１１２ａとヒンジビーム１１２ｃとがそれぞれ捩れることにより受力部１１１の回転運動の支点となる。一方、シーソー部１１３ｂおよびシーソー部１１３ｄは、受力部１１１の動きに従い、受力部１１１とは反対方向に回転する。図６（Ｃ）においては、受力部１１１は、ｙ軸マイナス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転している。そのため、シーソー部１１３ｂおよびシーソー部１１３ｄは、ｙ軸プラス側がｚ軸マイナス側に傾くように回転している。
【００５６】
次に、図７を参照しながら、力覚センサ１１の出力について説明する。図７は、力覚センサの容量が変化する原理を説明するための斜視図である。図７は、力覚センサ１１における、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄとトーションビーム１１４ａ〜１１４ｄの配置イメージを示している。
【００５７】
まず、以下にシーソー部１１３ａに対応する電極の容量変化について説明する。力覚センサ１１が有するシーソー部１１３ａ〜１１ｄは、以下に説明するシーソー部１１３ａと同様の原理に基づいて、静電容量を変化させる。
【００５８】
シーソー部１１３ａでは、回転軸であるトーションビーム１１４ａがｙ軸方向に延びている。このため、シーソー部１１３ａは、トーションビーム１１４ａを中心に、ｘ軸方向およびｚ軸方向の力に応じて、αＡ方向又はβＡ方向に回転する。シーソー部１１３ａの回転軸より外側の容量を容量Ａ１とし、回転軸より内側の容量を容量Ａ２とする。シーソー部１１３ａは、αＡ方向に回転すると、容量Ａ１が減少しつつ容量Ａ２が増加し、また、βＡ方向に回転すると、容量Ａ１が増加しつつ容量Ａ２が減少する。すなわち、力覚センサ１１は、シーソー部１１３ａの回転軸より外側の容量Ａ１を検出する電極と、シーソー部１１３ａの回転軸より内側の容量Ａ２を検出する電極とをそれぞれ有している。これにより力覚センサ１１は、シーソー部１１３ａの回転変位に応じた容量Ａ１と容量Ａ２との差動を検出する。
【００５９】
シーソー部１１３ａは、受力部１１１にｚ軸プラス方向の力が印加されると、αＡ方向に回転し、受力部１１１にｚ軸マイナス方向の力が印加されると、βＡ方向に回転する。シーソー部１１３ａは、受力部１１１にｘ軸マイナス方向の力が印加されると、βＡ方向に回転し、受力部１１１にｘ軸プラス方向の力が印加されると、αＡ方向に回転する。シーソー部１１３ａは、ｙ軸方向の力に対しては変位しない。
【００６０】
上述した説明と同様の原理に基づいて、シーソー部１１３ｂは、ｘ軸方向に伸びるトーションビーム１１４ｂを回転軸として、αＢ方向およびβＢ方向に回転する。これに伴い、シーソー部１１３ｂに対応する容量Ｂ１および容量Ｂ２が変化する。同様に、シーソー部１１３ｃは、ｙ軸方向に伸びるトーションビーム１１４ｃを回転軸として、αＣ方向およびβＣ方向に回転する。これに伴い、シーソー部１１３ｃに対応する容量Ｃ１および容量Ｃ２が変化する。シーソー部１１３ｄは、ｘ軸方向に伸びるトーションビーム１１４ｄを回転軸として、αＤ方向およびβＤ方向に回転する。これに伴い、シーソー部１１３ｄに対応する容量Ｄ１およびＤ２が変化する。このようにして、力覚センサ１１は、シーソー部１１３ａ〜１１３ｄのそれぞれが有する電極の差動を検出する。力覚センサ１１が検出する電極の差動は、以下に示す式（１）により、３軸方向の押圧力に変換される。
【数１】
2020034425.tif 000003
ここで、ｆｘは受力部１１１が受けるｘ軸方向の押圧力、ｆｙは受力部１１１が受けるｙ軸方向の押圧力、そしてｆｚは受力部１１１が受けるｚ軸方向の押圧力である。式（１）に示す演算は、アナログ回路やデジタル回路を含むハードウェア又はソフトウェア、もしくはその両方によって実現可能である。例えば、式（１）の演算を行う演算回路を、基板（把持部９１）に内蔵してもよいし、外部のマイクロコンピュータ等で実現してもよい。力覚センサは、半導体基板と集積化されていてもよい。集積化することにより、演算機能を内蔵でき、センサシステムをさらに小型化できる。Ｓ／Ｎの向上も期待できる。
【００６１】
このように、力覚センサ１１は、外力に応じて、ｚ軸方向と、ｘ軸周りと、ｙ軸周りとにそれぞれ従動する受力部１１１を有する。また、力覚センサ１１は、受力部１１１が受けた外力を３軸方向の押圧力（ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ）として出力する。
【００６２】
なお、上述した力覚センサ１１の構成は、センサの一例を示すものであり、具体的な構成は、これに限られない。例えば、受力部１１１と接続するシーソー部は４個ではなく、３つでもよい。
【００６３】
以上、力覚センサ１１の詳細について説明した。受力部１１１が受けた外力を３軸方向の押圧力（ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ）として出力する力覚センサ１１を複数配置することにより、センサシステム１０は、把持部９１が物体から受ける３軸方向の押圧力および基準平面９１Ａに直交する軸周りのモーメントを検出することができる。
【００６４】
次に、図８を参照しながらセンサシステム１０の機能構成について説明する。図８は、実施の形態に係るセンサシステムの機能ブロック図である。センサシステム１０は、複数の力覚センサ１１および信号処理部８１により構成されている。力覚センサ１１は、上述した把持部９１に設けられている８個の力覚センサ１１（１）〜１１（８）である。
【００６５】
信号処理部８１は、制御部１５と、メモリ１６と、出力部１７とを有している。制御部１５は、基板上に実装されたＣＰＵを含む演算装置である。制御部１５は、力覚センサ１１の出力を受け取り、メモリ１６に格納されているデータを参照しながら演算を行い、行った演算の結果を出力部１７に供給する。
【００６６】
制御部１５は、選択部１５１と演算部１５２とを有している。選択部１５１は、力覚センサ１１から受け取った信号が、予め設定された値である閾値を超えているか否かを判断する。閾値は、メモリ１６に予め格納されている。また、選択部１５１は、判断結果に基づいて基準平面９１Ａに直交する方向の押圧力または基準平面９１Ａに直交する軸周りのモーメントの演算をするための演算用信号を選択する。演算部１５２は、選択部１５１が選択した演算用信号に基づいて、把持部９１が物体から受ける３軸方向の押圧力および基準平面９１Ａに直交する軸周りのモーメントの演算をする
【００６７】
出力部１７は、所定の信号を外部へ出力するためのインタフェース部である。インタフェース部は、例えば、基板上に実装されるコネクタである。出力部１７は、制御部１５から演算の結果を受け取り、受け取った結果を出力する。出力部１７は、有線のコネクタに限らず、無線通信インタフェースであってもよい。
【００６８】
次に、図９を参照しながらセンサシステム１０が行う処理について説明する。図９は、センサシステムの処理を示すフローチャートである。図９は、センサシステム１０の制御部１５が行う処理について示したものである。
【００６９】
まず、ロボットハンド１が物体を把持すると、制御部１５は、力覚センサ１１（１）〜１１（８）から３軸方向の押圧力（ｆ１ｘ、ｆ１ｙ、ｆ１ｚ）〜（ｆ８ｘ、ｆ８ｙ、ｆ８ｚ）に対応する信号（Ｓ１ｘ、Ｓ１ｙ、Ｓ１ｚ）〜（Ｓ８ｘ、Ｓ８ｙ、Ｓ８ｚ）を取得する（ステップＳ１０）。
【００７０】
次に、制御部１５は、取得した力覚センサ１１の信号から演算用信号を選択する（ステップＳ１１）。より詳細には、まず、制御部１５が有する選択部１５１がメモリ１６に格納している閾値を取得して、各力覚センサから取得した信号の値と閾値とを比較する。そして、各力覚センサから取得した信号の値が閾値を超えているか否かを判断する。選択部１５１は、判断の結果に基づいて、各力覚センサから取得した信号の内、閾値を超えない信号を、次のステップにおいて使用する演算用信号として選択する。
【００７１】
なお、メモリ１６には３軸方向それぞれの押圧力と、基準平面に直交する軸周りのモーメントとにそれぞれ対応する別個の閾値が格納されている。さらに、メモリ１６に格納されている信号は、力覚センサごとに設定されている。例えば、図２に示した複数の力覚センサの内、凸部１２上に配置されている力覚センサ１１（１）、１１（４）、１１（５）、および１１（８）に対する閾値と、基準平面９１Ａ上に配置されている力覚センサ１１（２）、１１（３）、１１（６）、および１１（７）に対する閾値とは異なる値が設定されている。
【００７２】
次に、制御部１５は、選択された演算用信号に基づいて、３軸方向の押圧力と、基準平面に直交する軸周りのモーメントとをそれぞれ演算する（ステップＳ１２）。より詳細には、制御部１５が有する演算部１５２は、選択部１５１が選択した演算用信号に基づいて、３軸方向の押圧力をそれぞれ演算するとともに、基準平面に直交する軸周りのモーメントを演算する。制御部１５は、演算した結果を出力部１７に供給する。
【００７３】
次に、出力部１７は、制御部１５から受け取った演算結果をセンサシステム１０の外部へ出力する（ステップＳ１３）。
【００７４】
次に、上述のステップＳ１１およびステップＳ１２の処理について具体例と共に詳細を説明する。図１０は、ロボットハンドが物体を把持している状態を示す外観斜視図である。図１０において、ロボットハンド１は、立方体状の物体９００を把持している。図の例では、ロボットハンド１は、物体９００を把持するｚ軸方向に反力Ｆｎを受けている。また、物体９００の重心は、把持部９１が把持する領域よりもｘ軸プラス方向寄りに存在するため、ｚ軸周りのモーメントＭｎを受けている。このような状況において、ロボットハンド１は、物体９００から受けるｚ軸方向の押圧力Ｆｎおよびｚ軸周りのモーメントＭｎを演算する。
【００７５】
図１１は第１フィンガー部９Ｒに対してｚ軸方向の押圧力が印加されている状態の一例を示した図である。なお、図において、力覚センサ１１（５）と重なる位置に力覚センサ１１（１）が存在しているため、力覚センサ１１（１）を示す符号も表示している。力覚センサ１１（２）〜１１（４）についても同様に重なる位置の力覚センサに符号を並べて表示している。また、説明の便宜上、凸部１２上に設けられている４個の力覚センサをグループＡと称する。同様に、基準平面９１Ａ上に設けられている４個の力覚センサをグループＢと称する。
【００７６】
図において、物体９００は、グループＡの力覚センサに対して押圧力Ｆｎ１で当接している。グループＡの力覚センサには、分力ｆｎ１がそれぞれ印加されている。物体９００と基準平面９１Ａとの距離Ｚｎ１は、ＺＢより大きくＺＡより小さい。そのため、物体９００はグループＢの力覚センサには接触していない。
【００７７】
このような状態において、選択部１５１は、各力覚センサからｚ軸方向の押圧力に対応する信号（ｆ１ｚ〜ｆ８ｚ）を取得する。図の例において、グループＡの各力覚センサは、分力ｆｎ１に対応する出力として信号ＳＡｎ１を出力している。なお、このときグループＢの力覚センサの出力はゼロである。
【００７８】
次に、図１２を参照しながら、第１フィンガー部９Ｒに対してｚ軸方向の押圧力が印加されている状態の別の例について説明する。図１２は第１フィンガー部９Ｒに対してｚ軸方向の押圧力が印加されている状態の別の例を示した図である。
【００７９】
図において、物体９００は、グループＡおよびグループＢの力覚センサに対して押圧力Ｆｎ２で当接している。グループＡの力覚センサには、分力ｆｎ２Ａがそれぞれ印加されている。グループＢの力覚センサには、分力ｆｎ２Ｂがそれぞれ印加されている。物体９００と基準平面９１Ａとの距離Ｚｎ２は、ＺＢより小さい。物体９００はグループＡおよびグループＢの力覚センサに当接している。グループＡの力覚センサは、凸部１２が圧縮されている状態である。
【００８０】
このような状態において、選択部１５１は、各力覚センサからｚ軸方向の押圧力に対応する信号（ｆ１ｚ〜ｆ８ｚ）を取得する。図の例において、グループＡの各力覚センサは、分力ｆｎ２Ａに対応する出力として信号ＳＡＴ２を出力している。グループＢの各力覚センサは、分力ｆｎ２Ｂに対応する出力として信号ＳＢｎ２を出力している。
【００８１】
図１１および図１２に示したように、各力覚センサは、物体９００から受けた押圧力に応じた信号を出力する。そして、選択部１５１は、各力覚センサが出力した信号が予め設定された閾値を超えているか否かを判断する。
【００８２】
次に、図１３を参照しながら、選択部１５１が演算用信号を選択し、演算部１５２が押圧力を演算する原理について説明する。図１３は、力覚センサの信号とｚ軸方向の押圧力との関係を示したグラフである。図において、縦軸はｚ軸方向に対応する力覚センサの信号を示し、横軸は物体９００により印加されているｚ軸方向の押圧力を示している。図中の折れ線ＬＡは、グループＡの力覚センサの出力を示している。また、図中の直線ＬＢは、グループＢの力覚センサの出力を示している。
【００８３】
以下に、制御部１５の処理について、押圧力がゼロの状態から増える方向に沿って説明する。押圧力ゼロからＦＴ１までの間に、物体９００はまず凸部１２上に設けられているグループＡの力覚センサに当接する。すると、グループＡの力覚センサは押圧力に比例してゼロからＳＡＴ１までの信号を出力する。この間、力覚センサは物体９００によってｚ軸マイナス方向に徐々に押し込まれる。すなわち、グループＡの力覚センサは、図６（Ａ）で説明したように当接部１３が押し込まれるか、あるいは当接部１３が押し込まれるとともに凸部１２が圧縮される。
【００８４】
押圧力がＦＴ１まで到達すると、物体９００はグループＢの力覚センサにも当接する。したがって、ＦＴ１以上ではグループＢの力覚センサの信号がゼロより大きくなる。なお、グループＢの出力はグループＡの出力に比べて傾斜が緩やかである。これは、グループＢの力覚センサが押圧されている状態では、グループＡの力覚センサも同時に押圧されているからである。
【００８５】
折れ線ＬＡは、ＦＴ１から傾斜がやや緩やかに変化してＦＴ２まで延伸している。これは上述のように、ＦＴ１以降に、物体９００がグループＢの力覚センサにも接触しているためである。グループＡの出力は押圧力ＦＴ２において、信号ＳＡＴ２を出力する。
【００８６】
ＦＴ２以降は、グループＡが出力する信号はＳＡＴ２を維持している。これは、力覚センサの当接部１３が所定の変位に達したためである。したがって、以降は押圧力が増加してもグループＡの出力の信号は変化しない。押圧力ＦＴ２以上では、グループＡの力覚センサが物体９００からの外力の妨げにならない程度に、凸部１２が圧縮される。
【００８７】
押圧力ＦＴ３に達すると、グループＢの力覚センサの当接部１３が所定の変位に達する。すなわち、これは、センサシステム１０におけるｚ軸方向の押圧力について、全ての力覚センサ１１が検出の上限に達したことを意味している。
【００８８】
制御部１５は、上述の押圧力ゼロからＦＴ３までの範囲の内、押圧力ゼロからＦＴ１までの範囲は、グループＡの出力に基づいて、押圧力を演算する。すなわち、選択部１５１は、押圧力ゼロからＦＴ１までの範囲ＤＡにおいては、グループＡの力覚センサの出力を演算用信号として選択する。そして、演算部１５２は、選択されたグループＡの力覚センサの出力を合算することにより押圧力を求める。
【００８９】
また、制御部１５は、押圧力ＦＴ１からＦＴ２までの範囲ＤＡＢにおいては、グループＡおよびグループＢの出力に基づいて、押圧力を演算する。つまり、選択部１５１は、グループＢの信号の出力が開始された場合は、グループＡの信号が上限であるＳＡＴ２に達する直前までは、グループＡおよびグループＢの信号を演算用信号として選択する。そして、演算部１５２は、選択された演算用信号であるグループＡの力覚センサの出力とグループＢの力覚センサの出力とを合算することにより押圧力を求める。
【００９０】
制御部１５は、押圧力ＦＴ２からＦＴ３までの範囲ＤＢにおいては、グループＢの出力に基づいて、押圧力を演算する。つまり、選択部１５１は、グループＡの信号が上限であるＳＡＴ２に達した場合は、グループＢの信号を演算用信号として選択する。そして、演算部１５２は、選択された演算用信号であるグループＢの力覚センサの出力を合算するとともに、グループＢの力覚センサの出力に応じたグループＡの力覚センサが受けている押圧力を推定して合算する。
【００９１】
ここで、演算部１５２が行うグループＡの力覚センサが受けている押圧力の推定について説明する。グループＡおよびグループＢが押圧力に対して所定の１次関数に比例して変位している場合、グループＡの力覚センサが受ける押圧力ｆＡは以下の式（２）で示される。
【数２】
2020034425.tif 000004
ここで、ｋＡはグループＡの力覚センサおよび凸部１２の組み合わせにより生じるバネ係数であり、ｚは高さＺＡからｚ軸マイナス方向に押し込まれる変位量である。
【００９２】
一方、グループＢにおける力覚センサの当接部１３の変位ｚは、以下の式（３）により求めることができる。
【数３】
2020034425.tif 000005
ここで、ＳＢ（ｚ）は、変位ｚにおいて力覚センサが出力する信号であり、βはグループＢの力覚センサの固有値であり、ｚ１は、図３を参照して説明したグループＡとグループＢとの高さの差あるいは凸部１２の高さ（ＺＡ−ＺＢ）である。
【００９３】
グループＢの力覚センサが信号を出力した場合に、式（３）より変位ｚを求めることができる。そして、式（３）で求めた変位ｚを式（２）に適用することにより、グループＡの力覚センサが受ける押圧力ｆＡを演算することができる。演算部１５２は、上述の演算を行うことにより、グループＢの力覚センサの信号からグループＡの力覚センサが受ける押圧力を演算することができる。そして、グループＢの力覚センサの信号は、グループＢが受ける押圧力なので、これらを合算することにより、物体９００から受けるｚ軸方向の押圧力を演算することができる。
【００９４】
図１１に示した例に対応する押圧力Ｆｎ１は、図１３のグラフにプロットされている。押圧力Ｆｎ１におけるグループＡの力覚センサの信号は、ＳＡｎ１である。また、押圧力Ｆｎ１において、グループＢの力覚センサの信号はゼロである。よって、この場合、選択部１５１は、グループＡの力覚センサの信号を演算用信号として選択する。
【００９５】
図１２に示し太例に対応する押圧力Ｆｎ２もまた、図１３のグラフにプロットされている。押圧力Ｆｎ２におけるグループＡの力覚センサの信号は、上限値であるＳＡＴ２である。また、押圧力Ｆｎ２におけるグループＢの力覚センサの信号は、ＳＢｎ２である。よって、この場合、選択部１５１は、グループＢの力覚センサの信号を演算用信号として選択する。
【００９６】
このように、センサシステム１０は、同一種類の複数の力覚センサを基準平面と凸部とにそれぞれ配置し、適宜選択した信号を用いて押圧力を演算する。これにより、同一面に配置した場合に比べて基準平面に直交する方向のダイナミックレンジを拡げることができる。
【００９７】
なお、グループＡの力覚センサ１１が出力する折れ線ＬＡに比べて、グループＢの力覚センサ１１が出力する折れ線ＬＢの方が、傾きが緩やかである。すなわち、押圧力の変化に対して、力覚センサ１１が出力する信号の幅が小さくなっている。これは押圧力に対する出力の分解能が若干低下していることを意味する。しかし、１個の力覚センサ１１を用いて押圧力ＦＴ３までの範囲をカバーする場合と比べると分解能は高い。つまり、実施の形態の構成を採用することにより、センサシステム１０は、分解能の低下を抑制しつつ、ダイナミックレンジを拡げることができる。
【００９８】
次に、図１４を参照しながら、ｚ軸周りのモーメントを演算する処理について説明する。図１４は、力覚センサにかかるモーメントを説明するための図である。図において、把持部９１に設けられた力覚センサは、物体９００から点Ｃ０を中心としてｚ軸周りのモーメントを受けている。力覚センサ１１は、ｘ軸方向の押圧力（ｆ１ｘ〜ｆ８ｘ）およびｙ軸方向の押圧力（ｆ１ｙ〜ｆ８ｙ）を検出する。各力覚センサ１１は、ｘ軸方向の押圧力とｙ軸方向の押圧力の合力から、ｘｙ面内にかかる各力覚センサ１１の力ベクトルを求めることができる。図に示すｆｍ（１）〜ｆｍ（８）は、各力覚センサ１１の力ベクトルである。力ベクトルｆｍ（１）〜ｆｍ（８）と、モーメントの中心である点Ｃ０から各力覚センサ１１までの距離とをそれぞれ乗じることにより、各力覚センサ１１にかかるモーメントを演算することができる。
【００９９】
しかし、力覚センサに対して所定の力より大きな力が印加された場合、力モーメントが精度よく出力されないおそれがある。例えば、上述の力覚センサ１１に対してｚ軸マイナス方向に強い力が印加されると、当接部１３はｘｙ面に動きづらくなる。また、力覚センサ１１に対してｚ軸方向に強い力が印加されていない場合であっても、ｘ軸またはｙ軸方向に所定の力より大きな力が印加された場合、力ベクトルを精度よく円演算することができない。そこで、実施の形態にかかるセンサシステム１０は選択部１５１が、各力覚センサ１１から取得した信号を選択し、選択した演算用信号によりモーメントを演算する。
【０１００】
図９を参照しながら説明したように、まず制御部１５は、各力覚センサ１１の信号を取得する（ステップＳ１０）。次に、制御部１５の選択部は、取得した信号から演算用信号を選択する（ステップＳ１１）。図１４の把持部９１は、図１０および図１２に示した例である。すなわち、８個の力覚センサ１１の内、グループＡの力覚センサは、ｚ軸方向に所定より大きな力が印加された状態である。また、グループＢの４個の力覚センサのうち、モーメントの中心である点Ｃ０から最も遠い力覚センサ１１（６）は、ｘ軸方向に印加された押圧力が所定の値を超えた状態である。そのため、選択部１５１は、グループＡの４個の力覚センサと、力覚センサ１１（６）とを除いて、力覚センサ１１（２）、１１（３）、および１１（７）から取得した信号（ｆｍ（２）、ｆｍ（３）、ｆｍ（７））を演算用信号として選択する。
【０１０１】
次に、演算部１５２は、選択部１５１が選択した演算用信号からモーメントの中心である点Ｃ０を求める。具体的には、例えば演算部１５２は、演算用信号として選択された力覚センサ１１（２）、１１（３）、および１１（７）の力ベクトルを算出し、各力ベクトルの垂線の交点を求める。３本の垂線が１点で交差しない場合は、複数の交点の中間点を中心としてもよい。このようにして求めた点Ｃ０から各力覚センサ１１までの距離と、各力覚センサ１１における力ベクトルを乗算することにより、演算部１５２は、各力覚センサ１１におけるモーメントを演算する。
【０１０２】
このようにしてセンサシステム１０は、複数の力覚センサ１１のうち予め設定された閾値を超えない信号を出力する力覚センサ１１が出力した信号を演算用信号として選択する。これにより、基準平面に直交する軸周りのモーメントを好適に演算することができる。また、センサシステム１０は、複数の力覚センサ１１を設けることにより、予め設定された閾値を超えない信号を出力する力覚センサ１１からより分解能の高い信号を選択することができる。
【０１０３】
なお、演算部１５２は、選択された演算用信号から中心である点Ｃ０を求めた後に、点Ｃ０を用いて、選択されなかった力覚センサ１１のモーメントも演算してもよい。これによりモーメントの回転中心を好適に求めたうえで、把持部全体に印加されているモーメントの合計を演算することができる。
【０１０４】
以上、実施の形態について詳細を説明した。なお、上述した凸部１２は圧縮可能であるが、凸部１２は剛性が高く圧縮可能でないものであってもよい。その場合、把持対象の物体が可撓性を有さないものであればグループＡの力覚センサが外力を検出する。また、把持対象である物体が可撓性を有しており、かかる物体がグループＢの力覚センサに接触すれば、グループＢの力覚センサも外力を検出することができる。そのため、把持対象の物体が硬いか柔らかいかを判定することができる。上述の把持部９１はグループＡの力覚センサとグループＢの力覚センサとを４個ずつ有していたが、各グループに少なくとも１個以上の力覚センサを有していればよい。
【０１０５】
また、把持部９１は、高さが異なる複数種類の凸部を有していてもよい。これによりセンサシステム１０は分解能の低減を抑えつつ、基準平面に直交する軸方向のダイナミックレンジをさらに拡げることができる。
【０１０６】
また、制御部１５およびメモリ１６は、第１フィンガー部９Ｒが有する力覚センサ１１に加えて、第２フィンガー部９Ｌが有する力覚センサ１１の信号処理を行ってもよい。なお、第２フィンガー部９Ｌは別の制御部およびメモリに接続されていてもよい。
【０１０７】
制御部１５、メモリ１６、および出力部１７は、ロボットハンド１に含まれず、ロボットハンド１から送信される力覚センサ１１の信号を受信し、受信した力覚センサ１１の信号に基づいて所定の出力を行う構成であってもよい。この場合、例えば、制御部１５、メモリ１６、および出力部１７は、コンピュータの構成の一部に含まれていてもよい。
【０１０８】
＜センサシステムの較正方法＞
次に、実施の形態に係るロボットハンド１におけるセンサシステム１０の較正方法について説明する。センサシステム１０は複数の力覚センサ１１を有している。そのため、これらの３軸方向それぞれの特性を簡便に較正し、一定の精度を担保する方法が望まれる。
【０１０９】
図１５は、センサシステム１０の較正を行うロボットハンド１の状態を示す外観斜視図である。ロボットハンド１は基準物体８００を所定の力で把持している。基準物体８００は、四角柱状であり、単一の材質により構成され、重量に偏りがない部材である。基準物体８００と把持部９１とが接触する２つの面は平行である。ロボットハンド１が過度の力を要することなく基準物体８００を把持することができるように、基準物体８００の把持部９１と接触する面は、摩擦係数が高い方が好ましい。図において、ロボットハンド１はｚ軸方向に沿って基準物体８００を把持している。基準物体８００を把持することにより、把持部９１は、ｚ軸方向に押圧力ＦＣを受けるとともに、重力方向であるy軸マイナス方向に、押圧力ＰＣを受けている状態である。
【０１１０】
なお、図１５にはｘｙｚ座標系とＸＹＺ座標系とが重畳して示されている。ここで、ｘｙｚ座標系は、第１フィンガー部９Ｒとともに連動するローカル座標系である。ＸＹＺ座標系はグローバル座標系である。
【０１１１】
図１６を参照しながら把持部９１が受ける押圧力についてさらに説明する。図１６は、第１フィンガー部９Ｒの詳細を説明するための図である。把持部９１には凸部１２上に設けられているグループＡの力覚センサと、基準平面状に設けられているグループＢの力覚センサとが存在する。基準物体８００は、中央部に凸部１２と同じ高さの凸形状を呈している。これにより、基準物体８００は、グループＡおよびグループＢの全ての力覚センサ１１に対してそれぞれ一定の分力ｆｃを印加することができる。また同様に、基準物体８００は、全ての力覚センサ１１に対してｙ軸マイナス方向に、押圧力ＰＣの分力ｐｃを印加することができる。
【０１１２】
図１５に戻る。ロボットハンド１は第３関節８を回転して、基準物体８００の姿勢を変えることができる。ここでは第３関節８の回転方向をθとして示す。図に示した姿勢はθが０度の状態である。同様に、ロボットハンド１は第２関節６を回転して、基準物体８００の姿勢を変えることができる。ここでは第２関節６の回転方向をφとして示す。図に示した姿勢はθが０度の状態である。ロボットハンド１は、第２関節６および第３関節８を駆動して、基準物体８００の姿勢を変えることにより、把持部９１の力覚センサ１１が受ける押圧力を変化させ、所定の姿勢ごとに力覚センサ１１の較正を行う。
【０１１３】
次に図１７〜１９を参照しながらセンサシステム１０の較正処理についてさらに説明する。図１７は、センサシステムが行う較正処理のフローチャートである。まず、ロボットハンド１は、基準物体８００を把持する（ステップＳ１００）。このときロボットハンド１の姿勢は任意でよいが、基準物体８００と把持部９１との相対的な位置は予め設定された範囲内であり、図１０で示したようなモーメントが発生しないようにする。
【０１１４】
次に、ロボットハンド１は各関節を駆動し予め設定された姿勢で固定する（ステップＳ１０１）。予め設定された姿勢とは、例えば図１５に示したφが０度、θが０度の姿勢である。
【０１１５】
次に、センサシステム１０は、各力覚センサ１１の信号を取得する（ステップＳ１０２）。図１５の姿勢では、力覚センサ１１に対して、ｙ軸方向に分力ｐｃが印加され、ｚ軸方向に分力ｆｃが印加されている。また、ｘ軸方向の荷重はゼロである。
【０１１６】
センサシステム１０は、取得した力覚センサ１１の信号と予め記憶している基準値とを比較して、力覚センサ１１の出力を較正するか否かを判定する（ステップＳ１０３）。力覚センサ１１が出力した信号と基準値との差が予め設定された範囲より小さい場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、センサシステム１０は、ステップＳ１０６に進む。一方、力覚センサ１１が出力した信号と基準値との差が予め設定された範囲より小さくない場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、センサシステム１０は、力覚センサ１１の信号に対して基準値との差を較正するための較正値を演算する（ステップＳ１０４）。さらに、センサシステム１０は、演算した較正値を所定のレジストリないしメモリに書き込む（ステップＳ１０５）。
【０１１７】
次に、センサシステム１０は、全ての姿勢において処理が終了したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。全ての姿勢において処理が終了していない場合、ステップＳ１０１に戻り、ロボットハンド１は、予め設定された姿勢の内、処理を終了していない姿勢に変化させて固定する。
【０１１８】
図１８は、較正処理を行うロボットハンドを説明するための図である。図１８は、第３関節８を回転させて、θを−９０度に設定した状態である。この状態では、第１フィンガー部９Ｒの力覚センサ１１に対して、ｚ軸方向に押圧力ＰＣの分力が印加され、ｘ軸およびｙ軸方向に対しての荷重はゼロである。センサシステム１０は、この姿勢で再び力覚センサ１１の信号を取得し（ステップＳ１０２）、ステップＳ１０６までの較正処理を実行する。
【０１１９】
次に、ロボットハンド１は、図１９に示す姿勢に変化させて、較正処理を実行する。図１９は、φが９０度、θが−９０度の状態を示している。この状態では、第１フィンガー部９Ｒの力覚センサ１１に対して、ｘ軸マイナス方向に押圧力ＰＣの分力が印加され、ｚ軸マイナス方向に押圧力ＦＣの分力が印加される。また、ｙ軸方向に対しての荷重はゼロである。センサシステム１０は、この姿勢で再び力覚センサ１１の信号を取得し（ステップＳ１０２）、ステップＳ１０６までの較正処理を実行する。
【０１２０】
図１７に戻る。ロボットハンド１は、このように予め設定された姿勢において較正処理を実行し、ステップＳ１０６において、全ての姿勢を終了したと判定した場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、処理を終了する。
【０１２１】
以上、ロボットハンド１の較正処理について説明したが、センサシステム１０が取得した力覚センサ１１の信号を比較するのは上述の基準値でなく、力覚センサ１１から取得した信号の平均値であってもよい。また、平均値は、加重平均や移動平均であってもよい。
【０１２２】
＜実施の形態の変形例１＞
次に、実施の形態の変形例１について説明する。図２０は、実施の形態の変形例１を説明するための図である。実施の形態の変形例１は、基準平面９１Ａ上に凸部１２を有さず、８個の力覚センサ１１は全て基準平面９１Ａ上に設けられている。当接部１３のｚ軸プラス側の面は、把持対象の物体と接触する接触部材１４が設けられている。
【０１２３】
接触部材１４は、可撓性を有するシート状の部材であり、８個の力覚センサ１１の当接部１３を全て覆うように配置されている。また、接触部材１４は、ｚ軸方向の厚みが均一ではない形状を呈している。より具体的には、グループＡの力覚センサ１１の当接部１３に対応する部分の厚みは均一であり、基準平面９１Ａから当該部分の上面までの高さはＺＡである。一方、グループＢの力覚センサ１１の当接部１３に対応する部分の厚みは均一であり、基準平面９１Ａから当該部分の上面までの高さはＺＢである。そして、ＺＡはＺＢより高い。
【０１２４】
以上の構成により、実施の形態の変形例１にかかるロボットハンドは、複数の力覚センサ１１を全て把持部９１に実装し、実装した複数の力覚センサ１１の当接部１３に対して１個の部材を配置すればよいため、ロボットハンドの組み立てが容易になる。また、グループＡの設定とグループＢの設定とを、接触部材１４により行うことができるため、柔軟な対応が可能となる。
【０１２５】
＜実施の形態の変形例２＞
次に、図２１を参照しながら実施の形態の変形例２について説明する。図２１は、実施の形態の変形例２を説明するための図である。実施の形態の変形例２は、凸部１２や接触部材１４に代えて、２種類の当接部を有している点において上述のロボットハンドと異なる。
【０１２６】
実施の形態の変形例２にかかるロボットハンドにおいて、グループＡの力覚センサ１１は、ｚ軸方向における基準平面９１Ａからの高さがＺＡとなる当接部１３Ａを有している。また、グループＢの力覚センサ１１は、ｚ軸方向における基準平面９１Ａからの高さがＺＢとなる当接部１３Ｂを有している。以上の構成により、実施の形態の変形例２にかかるロボットハンドは、少ない部品数でロボットハンドを構成することができる。
【０１２７】
＜実施の形態の変形例３＞
次に、図２２を参照しながら実施の形態の変形例３について説明する。図２２は、実施の形態の変形例３を説明するための図である。実施の形態の変形例３は、五指のロボットハンドに対してセンサシステム１０を適用している点が、上述の実施の形態にかかるロボットハンドと異なる。
【０１２８】
五指ロボットハンド２０は、物体に接触する複数の面上に、複数の凸部１２を配置している。また、力覚センサ１１Ｃは、凸部１２上にそれぞれ設けられている。さらに、複数の力覚センサ１１Ｄは、五指ロボットハンド２０の表面上にそれぞれ設けられている。このような構成により、実施の形態の変形例３にかかるロボットハンド２０は、物体と接触する複数の面毎に押圧力を好適に検出することができる。また、実施の形態の変形例３にかかるロボットハンド２０は、物体と接触する複数の面から予め設定された閾値を超えない力覚センサ１１を選択して好適にモーメントを演算することができる。
【０１２９】
＜実施の形態の変形例４＞
次に、図２３を参照しながら実施の形態の変形例４について説明する。図２３は、実施の形態の変形例４を説明するための図である。実施の形態の変形例４は、五指のロボットハンドに対して実装している力覚センサが、ユニット化されている点において実施の形態の変形例３にかかる五指ロボットハンド２０と異なる。
【０１３０】
五指ロボットハンド２０は、物体に接触する複数の面上に、複数のセンサユニット２１が設けられている。センサユニット２１は、基板２２上に２つの凸部１２および凸部１２上に設けられた力覚センサ１１Ｃが設けられている。また、センサユニット２１は、基板２２上に２つの力覚センサ１１Ｄが設けられている。センサユニット２１は、このように基板２２から当接部１３までの高さが異なる複数の力覚センサを有している。このような構成にすることにより、実施の形態の変形例４は、多くの力覚センサを簡便に組み立てることが可能な五指ロボットハンドを提供することができる。
【０１３１】
以上、実施の形態によれば、センサシステムは、複数の力覚センサから取得した信号から直交軸方向の押圧力または直交軸周りのモーメントの演算を行うための演算用信号を選択したうえで押圧力またはモーメントを演算する。これにより、印加される力を検出する分解能の低下を抑制しつつ簡便にダイナミックレンジを拡げることができるセンサシステムを提供することができる。
【０１３２】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【０１３３】
１  ロボットハンド
２  基台
３  第１アーム
４  第１関節
５  第２アーム
６  第２関節
７  第３アーム
８  第３関節
９Ｒ  第１フィンガー部
９Ｌ  第２フィンガー部
１０  センサシステム
１１  力覚センサ
１２  凸部
１３  当接部
１４  接触部材
１５  制御部
１６  メモリ
１７  出力部
２０  五指ロボットハンド
２１  センサユニット
２２  基板
８１  信号処理部
９１  把持部
９１Ａ  基準平面
１００  シリコン層
１０７  絶縁層
１０９  周辺部
１１０  ダイアフラム
１１１  受力部
１１２  ヒンジビーム
１１３  シーソー部
１１５  シリコン層
１１６  受力片
１１７  封止基板
１２１  貫通電極
１２２  接合部
１５１  選択部
１５２  演算部
８００  基準物体
９００  物体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2020034425.tif 000027
【図２３】
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