(57)【要約】【課題】  本発明は、複雑な曲面に対して装着可能とし、かつ柔らかい接触状態で接触を検出することができる面接触センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】  本発明の面接触センサ１は、被検出面に装着される基盤電極４と、前記基盤電極４面に、絶縁性スペーサ３を介して空隙が形成される如き取り付けられる弾性シート状の導電性触感部２と、前記基盤電極４と前記触感部２間に、該基盤電極４と触感部２が接触することを検出する電気回路を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出面に装着される基盤電極と、
前記基盤電極面に、絶縁性スペーサを介して空隙が形成される如き取り付けられる弾性シート状の導電性触感部と、
前記基盤電極と前記触感部間に、該基盤電極と触感部が接触することを検出する電気回路を備える
ことを特徴とする面接触センサ。
【請求項２】
前記基盤電極面に所定間隔ごとに固定ロッド用溝を設け、該固定ロッド用溝内に絶縁性スペーサを介して前記触感部を固定ロッドによって挿入することで波状に取り付ける
ことを特徴とする請求項１記載の面接触センサ。
【請求項３】
前記触感部が空隙を設けた二重構成とされ、該触感部同士が接触する、または該基盤電極と触感部が接触することを検出する電気回路を備える
ことを特徴とする請求項２記載の面接触センサ。
【請求項４】
前記基盤電極面の固定ロッド用溝間に突条部を形成した
ことを特徴とする請求項２または３記載の面接触センサ。
【請求項５】
前記触感部が導電性ゴムシートより形成される
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の面接触センサ。
【請求項６】
前記基盤電極が導電性ゴム素材より形成される
ことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の面接触センサ。
【請求項７】
前記固定ロッドが導電性素材により形成され、それぞれの固定ロッドを直列接続した状態で該固定ロッドと前記基盤電極間に該基盤電極と触感部が接触することを検出する電気回路を備える
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の面接触センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面接触センサに関する。詳しくは接触方向に拘らず面部材の表面への接触を検出する面接触センサに係るものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、サービス用ロボットの実用化が呼ばれている。サービス用ロボットの定義は難しいが、共通に、人間に直接サービスを提供するものとみなせる。つまり、少なくとも人間に接触できなければサービス用ロボットとはいえない。現在の産業用ロボットが人間と一緒に仕事ができないのは、危険性のためである。
【０００３】
しかし、サービス用ロボットはそういうわけには行かない。「安全」は接触しないことであり、その以外は全部「危険だ」と言うわけにはいかないということである。これでは人間に何のサービスも期待できないことになる。
【０００４】
そこで接触を検知して動作を停止させて危険を回避させる手段として、例えば図１１に示すような面接触センサがある。この面接触センサ１０１は、メッキ部１０２の表面に弾力材１０３を介して検出面部材１０４を配置し、検出面部材１０４の四隅に突起１０５設け、検出面部材１０４が他の部材に接触した際に弾力材１０３の弾性力に抗して検出面部材１０４がメッキ部１０２に接合することで少なくとも突起１０５がメッキ部１０２に接触して接点部材が動作し、任意の方向の接触を検出するものである（特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３４０７７４号公報（要約書、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら前記特許文献１における面接触センサでは、同一曲率の曲面を有する面部材の表面に弾性材を介して面部材表面と同一曲率とする検出面部材を配置するものであるが、曲面の曲率が一定でない面部材の表面に対しての検出面部材の配置は非常の困難となる問題がある。
【０００７】
また、検出面部材に接触した場合には検出面部材が変形するのではなく、検出面部材に加わる力によって弾性材を圧縮変形させて接点部材を面部材表面に接触させるものであるために、柔らかい接触状態での接触を検出することが困難であると考えられる。
【０００８】
すなわち、サービス用ロボットでの接触センサでは、（１）柔らかい接触状態で接触を検出して安全を確認できること、そして、（２）力が大きくなったとき危険回避操作に利用できること、さらに、（３）力が許容限界に達したとき、これを検知して機械を停止させること、（４）フェールセーフであることが要求され、このような条件を満たす接触センサが開発されていないのが現状である。
【０００９】
本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであって、例えばロボットなどの複雑な曲面に対して装着可能とし、かつ柔らかい接触状態で接触を検出することができる面接触センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明に係る面接触センサは、被検出面に装着される基盤電極と、前記基盤電極面に、絶縁性スペーサを介して空隙が形成される如き取り付けられる弾性シート状の導電性触感部と、前記基盤電極と前記触感部間に、該基盤電極と触感部が接触することを検出する電気回路を備える。
【００１１】
ここで、シート状の導電性触感部を触れることによって変形し、基盤電極面に接触することで触感部と基盤電極間に設けられる電気回路が通電状態となり、接触を検出することが可能となり、触感部への接触が開放された場合には弾性力によって元に状態に復帰することで通電が解除される。
【００１２】
また、触感部が空隙を設けた二重構成とされ、該触感部同士が接触する、または該基盤電極と触感部が接触することを検出する電気回路を備えることにより、最初の触感部同士への接触は、危険を知らせるのではなく、むしろ安全を知らせる信号として検出し、さらに強い接触が生じて触感部と基盤電極との接触が生じて危険を知らせる信号として検出することが可能となる。
【００１３】
また、触感部および基盤電極を導電性ゴム素材より形成することにより、例えばロボットのようにいろいろな曲面を有する被検出面に対して装着が可能となる。
【００１４】
また、前記基盤電極面に所定間隔ごとに固定ロッド用溝を設け、該固定ロッド用溝内に絶縁性スペーサを介して前記触感部を固定ロッドによって挿入することで波状に取り付ける構成とすることで、固定ロッドの固定ロッド用溝内への着脱により触感部を着脱が容易に行うことができ、かつ基盤電極面との空隙を自在に調整することが可能となる。
【００１５】
また、前記基盤電極面の固定ロッド用溝間に突条部を形成することにより、触感部への法面方向への外力および接線方向への外力に対して接触を検出することが可能となる。
【００１６】
また、前記固定ロッドが導電性素材により形成され、それぞれの固定ロッドを直列接続した状態で該固定ロッドと前記基盤電極間に該基盤電極と触感部が接触することを検出する電気回路を備えることにより、触感部の固有抵抗が大きい場合でも、基盤電極と触感部が接触した場合に、敷居値以上の電流を検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の面接触センサでは、従来の接点式ボタンスイッチの代わりにシート状の導電性ゴムを用いることによって、導電性ゴムに掛かる力が小さくても接触検知が可能であり、さらに復元性にも優れており、極めて信頼性の高い面接触センサが実現可能となる。
【００１８】
また、基盤電極を導電ゴム性基盤とすることによって複雑な曲面に対して容易に装着することが可能となり、法線方向の変移だけでなく接線方向の変移に対しても容易に変移を生じるので、多様な状況で使用できることが可能となる。
【００１９】
また、本発明の接触センサは、機械と人間が接触をする可能性のあるすべての場所に取り付けることが可能である。例えば、あらゆるセーフエッジ、広範に用意に接近可能な停止手段、鉄道、エレベータへのはさまれ防止および戸袋への引き込まれ防止のための接触センサに適用できる。ＡＧＶ等移動機械のバンパの軟接触センサ、自動車のバンパへの適用。ただし、ＡＧＶでは、接触信号で機械の運転を停止する自動化の手段として、また、自動車の場合、車庫入れなどの場合の接触警報手段として使用される。サービス用ロボットの挟まれ部（脇、肘等の間接部）に取り付けることによって、サービスを受ける側の安全が守られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参酌しながら説明し、本発明の理解に供する。
図１に、本発明を適用した面接触センサの一例を示す概要説明図、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、本発明を適用した面接触センサの固定ロッドの一例を示す斜視図、図３に本発明を適用した面接触センサの導電性基盤の一例を示す斜視図である。
【００２１】
ここで示す面接触センサ１は、触感部２、スペーサ３、基盤電極４および固定ロッド５から構成される。
【００２２】
ここで、前記触感部２はシート状の導電性ゴムより形成されるものであり、柔軟性に優れるとともに、復元性にも優れている。また、スペーサ３は、触感部２と基盤電極４との絶縁を行うための絶縁性ゴムシートから形成されるものである。
【００２３】
前記固定ロッド５は、触感部２と基盤電極４の一対の電極を一定間隔を維持した状態で基盤電極４に固定する部品であり、触感部２をスペーサ３を介して基盤電極４の固定ロッド用溝６に圧入することで固定する。図２の図中（ａ）は、プラスチック又はゴム製より形成される円柱棒状の固定ロッドである。図中（ｂ）は、ゴム円筒体７内にコイルバネ８を挿入したものであり、コイルバネ８により断面方向は硬くなっているが長さ方向には柔軟性が保たれるので、湾曲した平面に貼って接触を監視するセンサとして使用が可能となる。また図中（ｃ）は、ロッドの長手方向上面に沿って断面Ｔ字形状の押さえ部９を設ける固定ロッド５であり、図４に示すように基盤電極４の固定ロッド用溝６内に圧入する際には押さえ部９によって容易に圧入することができるとともに、これを引っ張ることで容易に取り外しことが可能となる。
【００２４】
また、図３に示すように基盤電極４は、導電性ゴムより形成し、一定間隔ごとに突条部１０が形成され、これらの突条部１０間に固定ロッド用溝６が開口される。また、突条部１０の裏面側にはクッションのための溝１１が設けられ、この溝１１によって基盤電極４に柔軟性を持たせることによって湾曲した設置面に対して適用できる構成とする。
【００２５】
そこで触感部２が基盤電極４の突条部１０に接触しないように波状に配置し、各固定ロッド用溝６内にスペーサ３を介して基盤電極４と触感部２が接触しないようにして固定ロッド５を固定ロッド用溝６内に圧入することで触感部２を基盤電極４に固定する。
【００２６】
そして図１に示すように、触感部２と基盤電極４との間に電圧を印加する電気回路を設け、導電性ゴムより形成される触感部２に何かが接触して変形することにより基盤電極４間で通電し、電気回路の電気抵抗に出力電圧を生じることによって対象物との接触を判断することを可能とする二次元接触センサである。
【００２７】
次に図５は、法線方向からの外力で触感部２が変形して基盤電極４と接触する状況を示すものであり、法線方向から外力が触感部２に加わることにより触感部２の頂部が、基盤電極４の突条部１０の頂部方向へ変形することにより共に導電性ゴムより形成される触感部２と基盤電極４の突条部１０が接触して通電する。
【００２８】
また、図６は、接線方向からの外力で触感部２が変形して基盤電極４と接触する状況を示すものであり、接線方向から外力が触感部２に加わることにより触感部２が突条部１０側へ傾倒するように変形することにより突条部１０の側面に接触して通電する。
【００２９】
また、図７は、本発明を適用した接触センサの他の実施例を示すものであり、導電性ゴムシートより形成される触感部２を２重にして、互いに絶縁状態を生成して組み立てる構成とし、外側の触感部２と内側の触感部２間および内側の触感部２と基盤電極４間に電圧を印加する。このような構成の接触センサをロボットに適用した場合には、最初の接触により外側の触感部２と内側の触感部２とが接触し通電することで、危険を知らせるのではなく、むしろ安全を知らせる信号としてロボットに送り出される。さらに強い接触が生じて内側の触感部２と基盤電極４が接触し通電することで危険の信号が生じるようになる。ロボットの制御は、たとえば、好ましい接触状態を人間の行為とともに、ロボットも協力して行う。また、人間が誤って危険な接触状態に移行させるとき、制御を行ってこれを和らげるような制御である。
【００３０】
次に、フェールセーフについて図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において詳述する。図８（ａ）に示すように、導電性ゴムによる触感部と電極基盤の２つの電極が非接触状態では、電極Ｖｉｎによる通電は生じない。しかし接触状態では通電し電気抵抗Ｒの両端に出力電圧Ｖｏｕｔが発生するかというと必ずしもそうはならない。例えば、回路の断線や接触不良はよく発生するが、これが起こると触感部が接触しても通電を生じない。
【００３１】
そこで、図８（ｂ）に示すように、電源Ｖｉｎから遠いところに電磁リレー１２を接続して触感部と電極基盤の２つの電極が接触していないときに、２つの電極に電流が流れて電磁リレー１２がオンとなるようにする。すなわち、接触していないときに通電状態を作り出すのである。
【００３２】
そして、２つの電極が接触すると接触部分に電流が逃げてしまうので電磁リレー１２に電流が流れず、電磁リレー１２はオフとなる。このように接触状態で電磁リレー１２がオフとなるようにすれば、接触状態だけでなく断線などで通電できないとき電磁リレー１２がオフして機械が停止するというフェールセーフが実現できる。
【００３３】
また、図８（ｃ）に示すように、電磁リレー１２の代わりに固定抵抗１３を接続し、そこに流れる電流を増幅する。その場合には、誤って過大な増幅をしたり、電流が流れていないのに増幅器１４が故障で出力を出してしまうということが起こる。そこで、回路設計の段階で正常に増幅されているときの出力信号を設定して、これを監視するようにする。
したがって、出力信号が許容範囲にあるときは、「安全且つ正常」と判断してリレー回路出力をオンにする。２つの電極が接触することで出力信号が許容範囲以下となった場合、または何かの原因により許容範囲以上となった場合には、リレー回路出力をオフとなるようにして、増幅に伴う危険側故障を回避することができるようにしている。
【００３４】
また、導電性ゴムシートの場合には固有抵抗が大きく、一枚のゴムシートに電流を流す場合、あまり大きいと、電流が小さいため、接触によって検出できる電流が小さくなる。特に安全のセンサの条件として、ある敷居値以上の電流が流れないと優位な情報とみなされないため、正式の安全確認ができないということがある。そこで、図９および図１０にそれぞれ示すように、各固定ロッド用溝６内にスペーサ３を介して基盤電極４と触感部２が接触しないようにして固定ロッド５によって触感部２が基盤電極４に固定される。
【００３５】
この場合、固定ロッド５は通電性に優れた導電性素材より形成し、一定間隔ごとに配置される固定ロッド５を直列状に接続し、固定ロッド５と基盤電極４間に電圧を印加する。このような構成とすることにより、固定ロッド５と触感部２は通電状態であり、外力によって触感部２が変形し、基盤電極４に接触をした場合には、触感部２と基盤電極４間で通電し、回路の電気抵抗に出力電圧を生じることで接触を検出することができる。
【００３６】
すなわち、触感部２が導電性の固定ロッド５の全長に渡って密接状態であるために、触感部２と基盤電極４が接触した場合に、最も固有抵抗の小さい状態での通電が行われ、敷居値以上の電流が流れ、精度の高い検出が可能となる。
【００３７】
なお、図８（ｂ）、（ｃ）で示すフェールセーフのための電気回路を図９および図１０に示す面接触センサに適用することは勿論のことである。
【００３８】
以上の構成よりなる本発明の面接触センサでは、図１に示すように、導電性ゴムシートより形成される触感部に人間の手が触れたとき、人間には接触が先に感じ、その後でロボットに接触を知らせる信号が発生する。しかし人間の手の接触で、先にロボットとの接触関係を察知できれば人間はその情報でロボットとの安全な接触を感じることができ、また逆に、誤って危険な接触が予測できるから、これを避けるよう行動ができる。これは一方的に人間の予測行動のための触感部との接触感である。しかし、その後で検出される接触信号は、危険を察知してロボットが停止行動をとるために使用されるもので、ロボットは人間が行うような行動がないという前提の接触センサになっている
【００３９】
そこで、図７に示すように、人間が安全と感じるような触感部との接触状態で、信号を取り出せば、この信号は、ロボットの何らかの行動を制御するのに利用できるものである。
例えば、人間が危険な接触を避ける目的の行動をこの接触で行うと同時に、ロボットの安全の信号を生成して、その状態を維持する制御を実行できれば、危険の信号をなるべく避けるような行動として、ロボットの制御が成立する。
【００４０】
また、本発明による接触センサは、接触／非接触を示すオン／オフ信号出力だけでなく、いくつかの状況が認識可能である。復元力の力感度を導電性ゴムシートの厚みによって弾性を調整することができる。導電性ゴムシートを多少厚めにすると、同じ変移でも反力が大きくなるので、人間の手の多様な接触状態が区別できる。これは、サービス用ロボットなど人間と接触して共同作業するような場合に必要不可欠なセンサとなる。まず、（１）手が全く接触していない状態、（２）人間の手が導電性ゴムシートに触っているがまだ通電状態ではない状態、（３）通電によって手の接触を検出した状態、（４）接触検知後、手が壁等と導電ゴム製基盤との間で挟まれて加圧を受けているが、導電ゴム製基盤の接触電極部下部の力の逃げのために、過大な力が生じていない状態、（５）力の逃げがなくなって、手が完全に挟まれているという状態、というように５つの状態が認識可能である。特に、（２）は安全な接触状態であり、この状態を長くなるように設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明を適用した面接触センサの一実施例を示す概要説明図である。
【図２】本発明を適用した面接触センサの固定ロッドの形態を示す説明図である。
【図３】本発明を適用した面接触センサの固定ロッドを他の形態とした場合における概要説明図である。
【図４】本発明を適用した面接触センサにおける基盤電極の一実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明を適用した面接触センサの法線方向からの外力を受けた場合の作用説明図である。
【図６】本発明を適用した面接触センサの接線方向からの外力を受けた場合の作用説明図である。
【図７】本発明を適用した面接触センサの他の実施例を示す概要説明図である。
【図８】本発明を適用した面接触センサにフェールセーフ回路を適用する場合の電気回路説明図である。
【図９】本発明を適用した面接触センサにおいて比抵抗が大きい導電性ゴウムを用いた場合の接続回路の一例を示す概要説明図である。
【図１０】図９における斜視図である。
【図１１】従来の面接触センサの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１      面接触センサ
２      触感部
３      スペーサ
４      基盤電極
５      固定ロッド
６      固定ロッド用溝
７      ゴム円筒体
８      コイルバネ
９      押さえ部
１０    突条部
１１    溝
１２    電磁リレー
１３    固定抵抗
１４    増幅器
【図１】
2006302789.tif 000003
【図２】
2006302789.tif 000004
【図３】
2006302789.tif 000005
【図４】
2006302789.tif 000006
【図５】
2006302789.tif 000007
【図６】
2006302789.tif 000008
【図７】
2006302789.tif 000009
【図８】
2006302789.tif 000010
【図９】
2006302789.tif 000011
【図１０】
2006302789.tif 000012
【図１１】
2006302789.tif 000013