(57)【要約】  【課題】本発明は、永久磁石と軟磁性体が吸引する力を用いて自立的に中心保持を行い、同時にすべりによる磁場変化を元にすべり量を検出するすべり覚センサを可能とするものである。【解決手段】磁性体の板と、軸が磁性体であって該軸に直交する鍔を持つ球体が自由に回転できる状態で近接配置され、一方の磁性体が永久磁石であって他方が軟磁性体で構成されていることで自律的に中心保持を行うとともに、球体回転により生じる磁場変化を検出することですべり力を検出する。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも磁性体の板と、軸が磁性体であって該軸に直交する鍔を持つ球体が自由に回転できる状態で近接配置され、一方の磁性体が永久磁石であって他方が軟磁性体で構成されていることを特徴とする触覚センサ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物体を把持するときに使用する感覚センサの技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットハンドなどで機械アームが物体を横からグリップして把持するためには、予め、物体情報を入力する必要があった。従来の制御によると、物体を把握するためには把持部（以下、指と称す）の摩擦力で物体の自重を越える反力を与え、指先の摩擦力で持ち上げる必要があるが、物体の重量や堅さが分からないと、物体を取り落としたり、もしくは破壊してしまうおそれがあるからであった。これはガラスのコップや卵をを側面で把持する場合やマシュマロのように柔らかい物体を持ち上げる場合を想定すると理解が容易である。このため、重量や堅さなどが未知の物体を側面で把持するためには、物体の認識が不可欠であり、ビジョン認識を用いた推定や複数回の試行動作を経て推定する必要があった。
この煩雑な操作を避けるためには、人間の指先と同じような感覚を指に持たせる必要がある。この種の計測に関しては、古くよりすべての自由度を検出する６軸力センサとして各種の触覚センサが研究されてきた。６軸力覚センサは一般的な機械運動を制御するために平行バネなどの力による変形を歪みゲージ式や光学式などで高精度に検出するものが開発されているが、機械要素の力を測定するものであり、指先に使用するにはさらに付加部品を必要とするなど、複雑でかつ高価である。
転じて指先に要求される機能を見ると、接触面に掛かる圧力と面内方向の、２軸のすべり力の３軸で６軸センサの必要性はなく、代わりに小型で安価であることが求められる。
指先の圧力感覚は、物体に圧力を掛けてその変位を別途観測することで堅さの情報を得ることが出来、現在では多くの圧力センサが開発されて利用されている。一方、物体の側面を把持した場合には指先にすべり力が発生するが、圧力センサはこれを感じることが出来ないので、このすべり感覚を関知できるセンサの研究開発が広く行われている。たとえば、圧力センサをアレイ状に並べ、物体が滑ることによる圧力中心点のずれを検知してすべり量を検出するものや、すべりをてこの原理を用いて圧力に変換し、圧力センサで検出する方法などである。しかし、圧力センサを多数並べて処理する方式では、その処理が複雑でかつ小型化が困難で安価に使用できない欠点がある。また、てこの原理を利用してすべり力を横方向の圧力に変換する方式では、二次元的な中心保持が不可欠であり、十字型ビームなどのジンバルバネ構造を用いて中心を保持する必要があり、やはり構造が複雑になる欠点があった。
さらに言えば、対象物を限らずにロボットなどの指先に応用するためには、有効桁数が少なくとも広い応力範囲で使用できることが不可欠であり、一つのセンサでnNオーダーからNオーダーまで使用できることが望まれるが、従来の線形な出力特性をもつ方式で対応しようとすると、桁数の大きなセンサ信号となり、やはり信号処理に多くのリソースを必要とした。
【特許文献１】特開２００２−１９９０３７号公報
【非特許文献１】小野 耕三 精密工学会誌  Vol.52, No.4(19860405) pp. 619-622
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、永久磁石と軟磁性体が吸引する力を用いて自立的に中心保持を行い、同時にすべりによる磁場変化を元にすべり量を検出するすべり覚センサに関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
図１に本発明によるセンサの断面の基本構造を示す。これは、軟磁性体で構成された軸芯があり、軸芯１と直交する円盤状鍔を持つ非磁性材料で構成された球体３が、永久磁石材で出来た底板２の上にあり、該球体３がガイドローラ４で支持されていて、底板と狭い隙間を介している基本構造である。球体はポリカーボネートやポリアセタール、ナイロンなど非磁性で比較的固い非磁性材料で、鍔材はポリウレタンなどの柔らかい材料や金属ばね材、もしくは球体と同一材料を薄く成形してばね性をを持たせたもので構成される。
底板部には上記球体の軸に対して対称に磁場センサ７が配置される。また、球体と底板、ガイドローラ等をはそれらを内包するカバー６でおおわれ、該カバーには球体を介して底板と反対側には球体の一部が露出する穴が設けられる。該穴から露出した球体に底板に平行な力（すべり力）が加えられると球体が回転する。
球体は、永久磁石と軟磁性体の吸引力により常に底板の方向に引きつけられているが、ガイドローラで支持されているので、球体の露出部を接線方向に押す、すなわち球体の回転方向にすべり力を印加すると球体は回転する。
軟磁性体で出来た軸芯１と永久磁石でできた底板２の間の磁束流れを軸芯を含む断面で見た例を図２に示すが、球体が回転すると、軸芯１と底板２との距離が変化し、対称な磁束流れが変形し、球体はエネルギー最小の原理から軸芯が底板に最も近くなる安定点に戻ろうとする。
【０００５】
これを鍔がない状態で、回転角と復元力の関係で示すと図３のようになり、結果として±４０度程度までは安定点を中心としたばね力で支持された形、すなわち磁気支持構造が実現できる。これは、従来、十字バネ等の部品を必要としていた機能が付加部品無しで実現できることであり、小型化と低コスト化に重要である。また、磁力を大きくするには磁石の保持力を大きくするか、磁石の断面積を大きくすれば良く、目的に応じて磁石部の設計を変えるだけでよい。
球体が回転することによって永久磁石の位置が変わるから、底板近傍での磁場分布は、磁場最大の点が回転角に比例して移動する。
この例を図４に示す。このとき、安定点から対称に直交配置した２対の磁場センサで磁場を検知し、各軸の２つのセンサ出力の差分を取ると、図５のように回転角に比例した出力が得られる。
【０００６】
上述の関係は永久磁石で軸芯１を構成し、底板２を軟磁性体とする事によっても力の大きさは異なるが全く同じ動作が行えるものである。
しかしながら、４０度を超えると復元力が小さくなり、磁場の線形性も無くなるため、そのままでは回転によって得られるすべり力の大きさを直接測定することが出来ず、また、計測できる最大値も限られるため、ロボットハンドでの把持動作などで求められる多様なすべり力の測定は不可能である。
【発明の効果】
【０００７】
そこで、本発明では、復元力が最大となる回転角に達する以前に大きな非線形バネ力を与えてすべり力に依る回転を制御するため、球体内に存在する磁性体の軸芯１と直交する円盤状鍔を持つ。すべり力による球体の回転は、鍔が底板に接触するまでは自由に回転するが、底板に鍔が接触して以降は鍔がたわむようになる。このたわみは鍔の材質が柔らかいので力が掛かるほど接触部分が大きくなってたわみにくくなるので、結果としてすべり力と回転角の関係は接触する時点と以降では非線形となり、大きなすべり力にも対応できることになる。この結果、図５に示すように小さなすべり力では鍔による回転制限がないから高感度なセンサとして動作し、大きなすべり力が掛かった場合にも鍔が回転を制限するため、感度が低下して動作範囲内に収まる。これは、最小感度で大きなすべり力の計測をするのではなく、信号の大小に係わらず有効桁数で現象を把握できることであり、実用上はむしろ好ましいものである。このような特性をいわゆる支持ばねだけで実現しようとすると、重ねばねなどの複雑な構造を取らざるを得ず、構造が複雑になり、また、巨大な外力に対してヒステリシスを生じることがあった。
【０００８】
これに対し本発明では、外力が無くなると鍔が変形している状態からまず変形が復元する位置まで鍔のばね力で回転が戻り、その後、磁気吸引力によって回転位置が安定点にまで復帰する。このため、大きな力が加わった後でも微少な滑り力に対しも全くヒステリシスなしに動作する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明では磁石の強さでセンター保持に必要なバネ力を得ることから、小型で強力な磁石があればよい。しかし、一般に用いられるフェライト磁石や希土類磁石は一般には硬脆材料で、微小な直径、例えば0.5mm程度の磁石棒を作成することは困難である。このような精密な微小磁石は一般には永久磁石を削り出すのではなく、プラマグなど成形により形成されるが、前述したように磁力の強さは断面積で調節出来るから、中心に穴を空けた非磁性材の球に、微粒子材をプラスチックで混練した塗料を直接注入するキャスト法によって寸法誤差の心配なく容易に実現できる。
ローラ部分の摩擦が大きいと滑り力の検出限界を上げることになる。小さな柔らかいベアリングを用いても良いが、ポリエチレンのような滑りの良い軟質材質で作成したＯ−リング状の部材をはめ込んだり、環状に配置した突起列を一体成形して配置してガイドローラ５を省略することも可能である。このようなガイドローラ５のない構造は多くの安価なジョグボールなどで採用されているもので、公知の技術といえる。
本発明の場合、軸芯方向に圧力が加わると結果として球体を支えるローラ部分が撓む。その結果球体と底板の距離が小さくなるため、磁気結合が強くなるのでセンサの感じる磁場が大きくなる。具体的には、磁石が底板に近づけば、反磁界係数が小さくなって磁石と底板の間の磁束が増える。この結果、本発明の構造で二次元の滑り力のみならず底板に垂直な圧力を加えた３軸の力を検出できることを意味する。無応力時に軸対象となるよう配置したセンサ出力の差を取ることで図６に示す回転角を得たのに対し、和を取ることによりセンサ群を通過する磁束の総量を検出できる。これは、あらかじめ圧力と磁束量の関係を校正することで圧力値を検出できる事を意味する。
【実施例】
【００１０】
図７は本発明による触覚センサの組立の例であり、磁石の吸引力により自動的に設定位置が決まるから単純に個別部品を組み立てるだけで実現される。ここで球体を２ピースで構成すれば、例えば上部がゴム状の摩擦係数の高い物質で、ローラーガイドに接する部分をすべりの良いポリエチレン系の材料で構成することも可能である。また、価格が高く、精密な加工を要する永久磁石棒を直径全体に渡って配置する必要は必ずしも無く、常に一定の寸法で有ればよいから、図８に示すように半分の長さとすることもできる。また、外部への漏洩磁界が問題となる場合には、底板を永久磁石とし、軸芯部に軟磁性体を配置すれば、よく、この倍には強力な板状の永久磁石を使用できるため、強力な復元力を得られる。
また、上記(発明を実施するための最良の形態)では特に述べなかったが、磁場センサの厚さが薄いほど構成には適しているから、例えばGMR素子を複数個セットにして形成すれば、厚みを0.1mm以下に出来、好都合である。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
以上述べたように、本発明を用いることにより、簡単に小型の触覚センサが実現できるから、微妙な把持動作を必要とするロボットハンド等に利用が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるセンサ構造の断面の基本構造
【図２】永久磁石からの磁束流れと回転角の関係の説明図
【図３】鍔がない状態での回転角と復元力の関係
【図４】回転角に比例して磁場最大値が移動する例
【図５】磁場センサ出力の差動値と回転角の関係
【図６】本発明による触覚センサの力−回転角特性
【図７】本発明による触覚センサの組立の例
【図８】本発明による触覚センサの他の組立の例
【符号の説明】
【００１３】
１  軸芯磁性体、
２  底板    
３  非磁性球    
４  鍔    
５  ガイドローラ
６  カバー    
７  磁界センサ  
【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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