(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体から受ける剪断応力の付与方向と平行な面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる剪断応力検出センサ部と、
前記物体から受ける垂直応力の付与方向と平行な面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる垂直応力検出センサ部と、
を備える触覚センサであって、
前記剪断応力検出センサ部は、前記剪断応力の付与方向と平行な面内の直交する２方向にグレーティングを配列した光ファイバを、可撓性を有する感圧部材にモールドしたシート体として形成され、
且つ前記垂直応力検出センサ部は、前記垂直応力の付与方向と平行な面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバを、可撓性を有する感圧部材にモールドしたシート体として形成され、
前記シート体同士が積層されて構成されることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
請求項１記載の触覚センサにおいて、
前記剪断応力検出センサ部は、前記剪断応力の付与方向と平行な面内の異なる複数の位置に配置されるグレーティングを有し、前記各グレーティングは、互いに異なる特定波長の光を反射することを特徴とする触覚センサ。
【請求項３】
請求項１記載の触覚センサにおいて、
前記剪断応力検出センサ部は、隣接する２つの前記グレーティングにより構成され、前記２つのグレーティングによって反射される光の波長のシフト方向及びシフト量に基づき、前記剪断応力の向き及び大きさを検出することを特徴とする触覚センサ。
【請求項４】
請求項１記載の触覚センサにおいて、
前記垂直応力検出センサ部は、前記垂直応力の付与方向と直交する面内の異なる複数の位置に配置されるグレーティングを有し、前記各グレーティングは、互いに異なる特定波長の光を反射す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、物体の接触状態を検知する触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、マニピュレータにより物体を把持して所定の作業を遂行する場合、物体に過剰な把持力が付与されると、物体が損傷してしまうおそれがある。一方、物体に十分な把持力が付与されないと、物体がマニピュレータから脱落してしまうおそれがある。
【０００３】
そこで、マニピュレータ等による物体の把持状態を検知することのできるセンサとして、物体から受ける垂直応力を把持力として検出する一方、物体から受ける剪断応力を滑り状態として検出する触覚センサが開発されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に開示された触覚センサは、フレキシブルプリント基板上に、物体からの圧力を抵抗値の変化として検出する感圧素子と、物体から圧力が加わったときに微分型の電圧を発生させる圧電素子とを積層して構成される。垂直応力は、感圧素子によって検出することができ、剪断応力は、圧電素子によって検出することができる。
【０００５】
しかしながら、感圧素子や圧電素子は、電気信号に基づいて応力を検出するため、屋外や工場内等の悪環境下においては、電磁波ノイズの影響を受け易く、精密な応力検出には適していない。また、触覚センサが損傷した場合には、漏電のおそれもある。
【０００６】
一方、トンネルや橋梁等の各種構造物、又は、地盤等の挙動を監視するセンサとして、光ファイバを用いた歪みセンサが開発されている（特許文献２参照）。
【０００７】
特許文献２に開示された歪みセンサは、コアにグレーティング（回折格子）が形成された光ファイバからなるＦＢＧセンサ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒ）であり、このＦＢＧセンサを測定対象物に敷設しておき、グレーティングの部分に歪みが発生したときに、光ファイバに導入された光のグレーティングによる反射光の波長が変化する現象を利用して、測定対象物の歪みを検出するものである。
【０００８】
この場合、ＦＢＧセンサは、耐久性が高いだけでなく、電気信号を用いていないために、電磁波ノイズの影響を受けることがなく、測定対象物に生じた歪みを高精度に検出することができる。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に開示されたＦＢＧセンサは、測定対象物の歪みを検出できるだけであり、測定対象物から受ける剪断方向及び垂直方向の応力を同時に測定できる構成にはなっていない。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１０４０７号公報
【特許文献２】特開２００２−１３１０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記の不具合を解消するためになされたものであって、高い耐久性及び信頼性を備え、物体から受ける垂直応力及び剪断応力を同時に検出することができる触覚センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の課題を解決するために、本発明は、物体から受ける剪断応力の付与方向と平行な面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる剪断応力検出センサ部と、
前記物体から受ける垂直応力の付与方向と平行な面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる垂直応力検出センサ部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の触覚センサでは、物体から受ける剪断応力及び垂直応力を、光信号に基づいて独立且つ同時に検出することができる。この場合、光信号を利用することにより、電磁波ノイズの影響を受けることがなく、また、漏電のおそれもないため、高い耐久性及び信頼性を実現して、剪断応力及び垂直応力を高精度に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の触覚センサが適用されるロボットシステム１０の構成図である。ロボットシステム１０は、物体１２を把持して所定の処理を行うマニピュレータ１４と、マニピュレータ１４のハンド部１６ａ、１６ｂに配設され、物体１２に接触した状態で、ハンド部１６ａ、１６ｂによる物体１２の把持状態を検出する触覚センサ１８ａ、１８ｂと、触覚センサ１８ａ、１８ｂを制御し、物体１２の把持状態に係る情報である剪断応力及び垂直応力を取得する触覚センサコントローラ２０と、触覚センサコントローラ２０によって取得した剪断応力及び垂直応力に基づき、マニピュレータ１４を制御するマニピュレータコントローラ２２とを備える。
【００１５】
この場合、物体１２を把持する際に触覚センサ１８ａ、１８ｂが検出した剪断応力に基づき、ハンド部１６ａ、１６ｂに対する物体１２の滑り状態を検知することができる。また、物体１２を把持する際に触覚センサ１８ａ、１８ｂが検出した垂直応力に基づき、ハンド部１６ａ、１６ｂによる物体１２の把持力を検知することができる。従って、剪断応力及び垂直応力に従ってハンド部１６ａ、１６ｂを制御することにより、物体１２を脱落させることなく、適切な把持力で把持して所望の位置に移動させる等の作業を遂行することができる。
【００１６】
次に、図２に従い、触覚センサ１８ａ、１８ｂに用いられるＦＢＧセンサ２４の動作原理について説明する。
【００１７】
ＦＢＧセンサ２４は、光ファイバ２６のコア２８の一部に、紫外線を用いてグレーティング３０Ａ、３０Ｂを形成して構成される。なお、図２では、２つのグレーティング３０Ａ、３０Ｂを有するＦＢＧセンサ２４を例示している。
【００１８】
各グレーティング３０Ａ、３０Ｂの周期をΛA、ΛB、コア２８の有効屈折率をｎeffとすると、各グレーティング３０Ａ、３０Ｂは、以下の（１）、（２）式を満たす波長λA、λB（ブラッグ波長）の光を反射し、その他の波長の光を透過させる。
【００１９】
λA＝２ｎeffΛA                            …（１）
λB＝２ｎeffΛB                            …（２）
従って、図３に示す所定範囲の波長λからなる光を光ファイバ２６のコア２８に入射させると、ΛA≠ΛBとして、入射端側から波長λA、λBの反射光が得られる一方、出射端側からその他の波長の光が出力される。
【００２０】
ここで、図４に示すように、グレーティング３０Ａ、３０Ｂ間に、光ファイバ２６の長手方向に沿った矢印Ｘ１方向の剪断応力が加わると、グレーティング３０Ａの周期ΛAが短くなる一方、グレーティング３０Ｂの周期ΛBが長くなる。従って、図５に示すように、グレーティング３０Ａによって反射される光の波長λA-は、波長λAよりも短くなる方向にシフトする一方、グレーティング３０Ｂによって反射される光の波長λB+は、波長λBよりも長くなる方向にシフトする。
【００２１】
また、図６に示すように、グレーティング３０Ａ、３０Ｂ間に、光ファイバ２６の長手方向に沿った矢印Ｘ２方向の剪断応力が加わると、グレーティング３０Ａの周期ΛAが長くなる一方、グレーティング３０Ｂの周期ΛBが短くなる。従って、図７に示すように、グレーティング３０Ａによって反射される光の波長λA+は、波長λAよりも長くなる方向にシフトする一方、グレーティング３０Ｂによって反射される光の波長λB-は、波長λBよりも短くなる方向にシフトする。
【００２２】
以上の結果から、隣接する２つのグレーティング３０Ａ、３０Ｂによって反射される光の波長λA、λBのシフト方向及びシフト量を検出することにより、剪断応力の向き及び大きさを求めることができる。
【００２３】
光ファイバ２６の長手方向に加わる応力（垂直応力）は、１つのグレーティング３０Ａ又は３０Ｂによって反射される光の波長λA又はλBのシフト量を検出することにより、その大きさを求めることができる。
【００２４】
図８は、図２に示すＦＢＧセンサ２４を利用した触覚センサ１８ａ、１８ｂの分解構成斜視図である。
【００２５】
触覚センサ１８ａ、１８ｂは、直交３軸座標系のＸ軸方向の剪断応力を検出するＸ方向剪断応力センサ部３２と、Ｙ軸方向の剪断応力を検出するＹ方向剪断応力センサ部３４と、Ｚ軸方向の垂直応力を検出するＺ方向応力センサ部３６とを積層して構成される。
【００２６】
Ｘ方向剪断応力センサ部３２は、光ファイバ３８の長手方向に沿って一定の間隔で形成した多数のグレーティング４０がＸ軸方向に配列されるように、１本の光ファイバ３８を配置し、この光ファイバ３８を、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する感圧部材４２にモールドしたシート体として形成される。なお、各グレーティング４０の周期（図２の周期ΛA、ΛB参照）は、全て異なるものとする。
【００２７】
Ｙ方向剪断応力センサ部３４は、光ファイバ４４の長手方向に沿って一定の間隔で形成した多数のグレーティング４６がＹ軸方向に配列されるように、１本の光ファイバ４４を配置し、この光ファイバ４４を、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する感圧部材４８にモールドしたシート体として形成される。なお、各グレーティング４６の周期（図２の周期ΛA、ΛB参照）は、全て異なるものとする。図９は、Ｘ方向剪断応力センサ部３２及びＹ方向剪断応力センサ部３４の平面説明図である。
【００２８】
Ｚ方向応力センサ部３６は、光ファイバ５０の長手方向に沿って一定の間隔で形成した多数のグレーティング５２がＺ軸方向に配列されるように、１本の光ファイバ５０を配置し、この光ファイバ５０を、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する感圧部材５４にモールドしたシート体として形成される。なお、各グレーティング５２の周期（図２の周期ΛA、ΛB参照）は、全て異なるものとする。図１０は、Ｚ方向応力センサ部３６のＹ−Ｚ平面断面説明図である。
【００２９】
なお、Ｚ方向応力センサ部３６は、図１１に示すように、２本の光ファイバ５６ａ、５６ｂを千鳥状に配置することにより、各光ファイバ５６ａ、５６ｂに形成されるグレーティング５２のＺ方向応力センサ部３６における実装密度を高くすることが可能である。
【００３０】
触覚センサ１８ａ、１８ｂは、図１２に示すように、Ｘ方向剪断応力センサ部３２、Ｙ方向剪断応力センサ部３４及びＺ方向応力センサ部３６を積層して構成してもよいが、図１３に示すように、Ｘ方向剪断応力センサ部３２及びＹ方向剪断応力センサ部３４を一体化した剪断応力センサ部３５と、Ｚ方向応力センサ部３６とを積層して構成してもよい。
【００３１】
また、触覚センサ１８ａ、１８ｂは、可撓性を有するシート体から形成することにより、任意の形状からなるハンド部１６ａ、１６ｂの表面に装着して使用することができる。
【００３２】
また、Ｘ方向剪断応力センサ部３２、Ｙ方向剪断応力センサ部３４及びＺ方向応力センサ部３６は、それぞれ連続する１本の光ファイバ３８、４４及び５０で構成しているが、複数の光ファイバに分割して構成してもよい。
【００３３】
図１４は、以上のように構成される触覚センサ１８ａ、１８ｂを用いたロボットシステム１０の構成ブロック図である。
【００３４】
光源５８から出力された光は、ビーム切替器６０により時分割で選択されたハーフミラー６２ａ〜６２ｃの１つを介して、触覚センサ１８ａ、１８ｂを構成するＸ方向剪断応力センサ部３２、Ｙ方向剪断応力センサ部３４又はＺ方向応力センサ部３６に供給される。
【００３５】
Ｘ方向剪断応力センサ部３２、Ｙ方向剪断応力センサ部３４又はＺ方向応力センサ部３６の光ファイバ３８、４４又は５０（図８）の一端部から入射した光は、一部の光がグレーティング４０、４６又は５２により反射される一方、残りの光がグレーティング４０、４６又は５２を透過した後、透過光終端器６４ａ〜６４ｃに導かれる。
【００３６】
グレーティング４０、４６又は５２により反射された光は、ハーフミラー６２ａ〜６２ｃを介して触覚センサコントローラ２０の反射光検出器６６に導かれ、電気信号に変換される。なお、反射光検出器６６は、入射した光を波長毎に分光して検出する分光器により構成される。Ｘ方向剪断応力センサ部３２及びＹ方向剪断応力センサ部３４からの光に係る電気信号は、剪断応力算出部６８に供給される。また、Ｚ方向応力センサ部３６からの光に係る電気信号は、垂直応力算出部７０に供給される。
【００３７】
剪断応力算出部６８は、Ｘ方向剪断応力センサ部３２の各グレーティング４０によって反射された光の波長毎の電気信号に基づき、図５及び図７に示すように、隣り合うグレーティング４０から得られた反射光の波長のＸ方向に対するシフト量及びシフト方向に従い、その部分に生じた剪断応力の大きさ及び向きを算出する。同様に、剪断応力算出部６８は、Ｙ方向剪断応力センサ部３４からの反射光の波長のＹ方向に対するシフト量及びシフト方向に従い、その部分に生じた剪断応力の大きさ及び向きを算出する。そして、これらから、Ｘ−Ｙ平面における物体１２の滑り状態を検出することができる。
【００３８】
なお、グレーティング４０、４６は、Ｘ−Ｙ平面内においてマトリックス状に配設されているため、各グレーティング４０、４６によって検出された滑り状態と、各グレーティング４０、４６の位置情報とに基づき、Ｘ−Ｙ平面における滑り状態の分布を求めることができる。
【００３９】
垂直応力算出部７０は、Ｚ方向応力センサ部３６の各グレーティング５２によって反射された光の波長毎の電気信号に基づき、各グレーティング５２から得られた反射光の波長のシフト量に従い、その部分に生じた垂直応力の大きさを算出する。この垂直応力から、Ｚ方向に対する物体１２の把持力を検出することができる。なお、グレーティング５２は、Ｘ−Ｙ平面内においてマトリックス状に配設されているため、Ｘ−Ｙ平面における把持力の分布を求めることができる。
【００４０】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【００４１】
例えば、図１４に示すロボットシステム１０において、光源５８から出力された光をビーム切替器６０により時分割して触覚センサ１８ａ、１８ｂに供給する代わりに、触覚センサ１８ａ、１８ｂを構成するＸ方向剪断応力センサ部３２、Ｙ方向剪断応力センサ部３４及びＺ方向応力センサ部３６に対して、独立した３つの光源からそれぞれ光を供給する一方、Ｘ方向剪断応力センサ部３２、Ｙ方向剪断応力センサ部３４及びＺ方向応力センサ部３６からの反射光を、独立した３つの反射光検出器によって検出するように構成してもよい。このように構成することにより、物体１２から受ける剪断応力及び垂直応力を同時に検出することができる。
【００４２】
また、触覚センサ１８ａ、１８ｂは、ハンド部１６ａ、１６ｂによる物体１２の把持状態の検出に限らず、例えば、物体の表面状態の検出にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の触覚センサが適用されるロボットシステムの構成図である。
【図２】ＦＢＧセンサの動作原理説明図である。
【図３】ＦＢＧセンサに入射する光の波長と、グレーティングによって反射される光の波長との関係説明図である。
【図４】ＦＢＧセンサによる剪断応力の検出原理の説明図である。
【図５】図４に示す状態のＦＢＧセンサに入射する光の波長と、グレーティングによって反射される光の波長との関係説明図である。
【図６】ＦＢＧセンサによる剪断応力の検出原理の説明図である。
【図７】図６に示す状態のＦＢＧセンサに入射する光の波長と、グレーティングによって反射される光の波長との関係説明図である。
【図８】本実施形態の触覚センサの分解構成斜視図である。
【図９】本実施形態の触覚センサを構成するＸ方向剪断応力センサ部及びＹ方向剪断応力センサ部の平面説明図である。
【図１０】本実施形態の触覚センサを構成するＺ方向応力センサ部の断面説明図である。
【図１１】触覚センサを構成するＺ方向応力センサ部の他の実施形態の構成斜視図である。
【図１２】本実施形態の触覚センサの積層状態を示す構成斜視図である。
【図１３】他の実施形態の触覚センサの積層状態を示す構成斜視図である。
【図１４】本実施形態の触覚センサを用いたロボットシステムの構成ブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０…ロボットシステム
１２…物体
１４…マニピュレータ
１６ａ、１６ｂ…ハンド部
１８ａ、１８ｂ…触覚センサ
２０…触覚センサコントローラ
２２…マニピュレータコントローラ
２４…ＦＢＧセンサ
２６、３８、４４、５０、５６ａ、５６ｂ…光ファイバ
３０Ａ、３０Ｂ、４０、４６、５２…グレーティング
３２…Ｘ方向剪断応力センサ部
３４…Ｙ方向剪断応力センサ部
３５…剪断応力センサ部
３６…Ｚ方向応力センサ部
４２、４８、５４…感圧部材
５８…光源
６０…ビーム切替器
６２ａ〜６２ｃ…ハーフミラー
６４ａ〜６４ｃ…透過光終端器
６６…反射光検出器
６８…剪断応力算出部
７０…垂直応力算出部
【図１】
0005430877.tif 000002
【図２】
0005430877.tif 000003
【図３】
0005430877.tif 000004
【図４】
0005430877.tif 000005
【図５】
0005430877.tif 000006
【図６】
0005430877.tif 000007
【図７】
0005430877.tif 000008
【図８】
0005430877.tif 000009
【図９】
0005430877.tif 000010
【図１０】
0005430877.tif 000011
【図１１】
0005430877.tif 000012
【図１２】
0005430877.tif 000013
【図１３】
0005430877.tif 000014
【図１４】
0005430877.tif 000015