(57)【要約】  【課題】３次元的に働きかける外力を好適に検知可能なセンサ素子を提供する。  【解決手段】外力Ｆにより圧縮又は伸張した際に電気特性の変化する導電性弾性部材Ｄと、外部から電気特性を測定するための電力供給を受け得る複数の電極要素Ｒとを具備し、前記複数の電極要素Ｒを、所定数の電極要素Ｒから成る電気特性を測定するための１以上の組に編成するとともに、前記組を成す所定数の電極要素Ｒを、前記導電性弾性部材Ｄの内部乃至その表面に３次元的に配置するようにした。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力により圧縮又は伸張した際に電気特性の変化する導電性弾性部材と、外部から電気特性を測定するための電力供給を受け得る複数の電極要素とを具備し、前記複数の電極要素を、所定数の電極要素から成る電気特性を測定するための１以上の組に編成するとともに、前記組を成す所定数の電極要素を、前記導電性弾性部材の内部乃至その表面に３次元的に配置していることを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】
組を成す所定数の電極要素が、仮想的な多面体の各頂点にそれぞれ配置されてなるものであることを特徴とする請求項１記載のセンサ素子。
【請求項３】
組を成す所定数の電極要素が、外力を受けた際に位置が移動し得る移動電極要素と、外力を受けた際にも位置が移動し得ない固定電極要素とから構成されるものであることを特徴とする請求項２記載のセンサ素子。
【請求項４】
前記多面体が四角錐であって、前記移動電極要素を該四角錐の四辺の集まる頂点に配置し、前記固定電極要素を該四角錐の他の頂点に配置していることを特徴とする請求項３記載のセンサ素子。
【請求項５】
前記組を成す所定数の電極要素を、前記外力を受けない状態において平面視アレイ状に配置していることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のセンサ素子。
【請求項６】
前記複数の電極要素を、前記外力を受けない状態において平面視アレイ状に配置していることを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載のセンサ素子。
【請求項７】
前記外力を受けた際に、前記固定電極要素を移動不能に支持する支持部材を備えていることを特徴とする請求項３乃至６いずれか記載のセンサ素子。
【請求項８】
前記移動電極要素が、前記導電性弾性部材の表面へ露出するように配置されることを特徴とする請求項３乃至７いずれか記載のセンサ素子。
【請求項９】
前記導電性弾性部材が、外力により圧縮復元又は伸張復元可能に形成される基材と、その基材に混成させた導電性を有する複数の導電性部材とを備え、前記基材に外力が加わった際にその外力の作用を受けた部位に位置付けられる導電性部材同士の接触状態が変化することにより異なる内部抵抗値を示すように構成したものであることを特徴とする請求項１乃至８いずれか記載のセンサ素子。
【請求項１０】
前記複数の導電性部材が、少なくとも２種類以上の異なる大きさに分類されるものであることを特徴とする請求項９記載のセンサ素子。
【請求項１１】
前記導電性部材が、金属粒子あるいはカーボン粒子等の導電性を有する粒子であることを特徴とする請求項９又は１０記載のセンサ素子。
【請求項１２】
前記導電性部材が、金属繊維あるいはカーボン繊維等の導電性を有する繊維であることを特徴とする請求項９又は１０記載のセンサ素子。
【請求項１３】
請求項１乃至１２いずれか記載のセンサ素子を用いて、そのセンサ素子に加わる外力を分析するための装置であって、前記センサ素子と、前記センサ素子に備えた電極要素間の電気特性を組毎に測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した組毎の電極要素間の電気特性に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段とを具備することを特徴とするセンサ装置。
【請求項１４】
前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記導電性弾性部材の変形後の形状を推定する形状推定手段を具備することを特徴とする請求項１３記載のセンサ装置。
【請求項１５】
前記形状推定手段で推定した導電性弾性部材の形状を、３次元的に画面表示するための３次元表示手段を具備することを特徴とする請求項１４記載のセンサ装置。
【請求項１６】
前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段を備えることを特徴とする請求項１３乃至１５いずれか記載のセンサ装置。
【請求項１７】
前記対象物の表面状態又は組成を示す対象物データを格納する対象物判別データ格納手段を備え、前記対象物判別手段が、前記対象物判別データ格納手段に格納している対象物データを参照することにより、対象物の表面状態又は組成を判別することを特徴とする請求項１６記載のセンサ装置。
【請求項１８】
請求項１乃至１２いずれか記載のセンサ素子を用いて所望の位置に対象物を移動制御させるための装置であって、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた電極要素間の電気特性を組毎に測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した組毎の電極要素間の電気特性に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物に対する接触手段の３次元的な位置を制御する第１位置制御手段とを備えることを特徴とする対象物移動制御装置。
【請求項１９】
前記接触手段が、人間の手指を模倣した形状を有するものであることを特徴とする請求項１８記載の対象物移動制御装置。
【請求項２０】
請求項１乃至１２いずれか記載のセンサ素子を用いて対象物を判別するための装置であって、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた電極要素間の電気特性を組毎に測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した組毎の電極要素間の電気特性に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段と、前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を所定方向へ移動させる第２位置制御手段とを備え、前記第２位置制御手段が前記接触手段を前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を移動させた際に、前記外力分析手段で分析される外力情報に基づき、前記対象物判別手段が前記対象物の表面状態又は組成を判別することを特徴とする対象物判別装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットハンドや義手等の指先に装着し、微妙な力加減が必要な把持制御等を行う際に用いるセンサ素子及びそのセンサ素子をロボットハンド等に取り付けてなる対象物移動制御装置及び対象物を判別するための対象物判別装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、宇宙開発、海底探査、被爆の恐れのある場所等のように、人間が直接作業困難な場所における各種操作を人間に代行して行わせたり、あるいは、手の不自由な方の機能を好適に補うための義手を実現したりすることなどを目的とし、人の手指を模倣した多指型ロボットハンドや義手等の研究開発がなされている。
【０００３】
そして、より人の手指に近い操作を実現するために、ロボットハンドや義手等の指先に装着するとともに、微妙な力加減を必要とする把持制御を実現可能なセンサ素子が市場に供給あるいは開発されている。
【０００４】
このようなセンサ装置としては、例えば、静電容量式圧力センサ素子に設けた一対の電極間の静電容量を計測することにより、該素子に加わる把持力を制御し得るように構成した静電容量式圧力センサ装置（例えば、非特許文献１参照。）や、感圧導電ゴムを挟み込んだ一対の電極間の抵抗変化を検知することにより感圧導電性エラストマーセンサ素子に加わる圧力を測定し、把持力を制御し得るように構成した感圧導電性エラストマーセンサ装置があり（例えば、非特許文献２参照。）、該センサ素子に加わる圧力を検知することにより把持力を制御するものとして知られている。
【０００５】
また、対象物と接触可能な振動する触覚センサを備えるとともにこの触覚センサが対象物と接触した際の振幅及び周波数変化で示される粘弾性特性を計測することにより、対象物との接触を検知し把持力を制御し得るように構成したマイクロ圧覚センサ装置（例えば、非特許文献３参照。）も、該センサ装置と対象物との接触を検知することにより、把持力を制御するものとして知られている。
【０００６】
そして、弾性体内部に設けた球状空洞の変化を超音波の共鳴現象を利用して検知することにより、弾性体に加わる圧力を検知して把持制御可能にした共鳴型テンソルセル触感センサ装置や（例えば、非特許文献４参照。）、把持対象物とセンサ素子との間に生じる局所滑りを検出可能なひずみゲージを分散配置した接触面局所滑りセンサ素子により把持力を制御し得るように構成した分散型接触センサ装置が知られている（例えば、非特許文献５参照。）。
【非特許文献１】“Ｔ−２０００適応アレイ型触感センサー“、［ｏｎｌｉｎｅ］、有限会社シスコムホームページ、［平成１４年１１月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｙｓｃｏｍ−ｉｎｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｐｓ＿ａｒｒａｙ．ｐｄｆ＞
【非特許文献２】“イナストマー“、［ｏｎｌｉｎｅ］、イナバゴム株式会社ホームページ、［平成１４年１１月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎａｂａ−ｒｕｂｂｅｒ．ｃｏ．ｊｐ／ｋａｔａｒｏｇｕ／ｉｎａｓｔ／ｉｎａｓｔ．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献３】“マイクロ触覚センサカテーテルの研究“、［ｏｎｌｉｎｅ］、１９９９．１２．１、オリンパス光学工業株式会社ホームページ、［平成１４年１１月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｌｙｍｐｕｓ．ｃｏ．ｊｐ／Ｓｐｅｃｉａｌ／ＯＴＦ８０／ｍｓｋｔ．ｈｔｍｌ
【非特許文献４】中島孝、“ＴＯＲＡＯの研究テーマについて“、［ｏｎｌｉｎｅ］、東京農工大学篠田研究室ホームページ、［平成１４年１１月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌａｂ．ｔ．ｕ−ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／〜ｓｈｉｎｏｌａｂ／ｍｅｍｂｅｒｓ／ｔｏｒａｏ／ｋｅｎｋｙｕ／ｋｅｎｋｙｕ１．ｈｔｍ
【非特許文献５】“把持力制御のための分散型触覚センサ“、［ｏｎｌｉｎｅ］、慶應義塾大学理工学部機械工学科前野研究室ホームページ、［平成１４年１１月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｅｎｏ．ｍｅｃｈ．ｋｅｉｏ．ａｃ．ｊｐ／ｓｅｎｓｏｒ２／ｓｅｎｓｏｒ２．ｈｔｍ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の上述のようなセンサ装置は、例えば、対象物へ所定の方向に加わる圧力であれば、好適にその圧力の大きさを検出できるものの、その所定の方向以外の方向に加わる圧力である場合には、その方向性を特定することが困難である。特に、対象物を伸張させる方向に働きかける力を検知することは甚だ困難である。
【０００８】
すなわち、静電容量式圧力センサ装置では、その装置に加わる圧力が、一対の電極間の距離を近接させたりあるいは離間させたりするといった一対の電極に垂直方向に働くものであれば、その圧力を好適に検知することはできるものの、一対の電極に斜め方向から加わるものであれば、精度よく圧力を検知できず、好適な把持制御を行えないといった課題を有している。
【０００９】
そして、感圧導電性エラストマーセンサも同様に、感圧導電ゴム挟み込んだ一対の電極間に加わる方向によっては、精度よく加わる圧力を検知できず、好適な把持制御を行えないといった課題を有している。
【００１０】
また、マイクロ圧覚センサ装置は、対象物の表面状態によっては把持制御が困難となる場合もある。
【００１１】
さらに、共鳴型テンソルセル触感センサでは、超音波の送受信を必要とするため、分布型センサを構成することが困難であり、分散型接触センサでは、対象物を３次元的に制御を行うためには、装置が大型化してしまい小型化が困難であるといった課題を有している。
【００１２】
そこで、本発明は、上述する問題を解決することを主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち、本発明のセンサ素子は、外力により圧縮又は伸張した際に電気特性の変化する導電性弾性部材と、外部から電気特性を測定するための電力供給を受け得る複数の電極要素とを具備し、前記複数の電極要素を、所定数の電極要素から成る電気特性を測定するための１以上の組に編成するとともに、前記組を成す所定数の電極要素を、前記導電性弾性部材の内部乃至その表面に３次元的に配置していることを特徴とする。
【００１４】
このような構成によれば、センサ素子を圧縮又は伸張する向きに外力が加わった場合、その外力に応じて導電性弾性部材の電気特性が変化し、その導電性弾性部材の内部乃至その表面に３次元的に配置される組を成す所定の電極要素間の電気特性に変化が生じる。すなわち、これら電極要素間の電気特性の変化に基づき外力を受けて移動した電極要素の位置を求めれば、センサ素子に加わる外力を三次元的に検知することができる。また、このような組が所定範囲に複数配置されるものであれば、その所定範囲に加わる外力の分布を好適に検知することもできる。
【００１５】
なお、精度良く電気特性を測定するためには、組を成す所定数の電極要素を、仮想的な多面体の各頂点にそれぞれ配置するとともに、組を成す所定数の電極要素を、外力を受けた際に位置が移動し得る移動電極要素と、外力を受けた際にも位置が移動し得ない固定電極要素とから構成することが好ましい。特に、前記多面体が四角錐であって、前記移動電極要素を該四角錐の四辺の集まる頂点に配置し、前記固定電極要素を該四角錐の他の頂点に配置するように構成すれば、その効果は顕著になる。
【００１６】
また、本発明の望ましい態様としては、前記組を成す所定数の電極要素を、前記外力を受けない状態において平面視アレイ状に配置しているものが挙げられる。特に、所定範囲に加わる外力を好適に検知するためには、前記複数の電極要素を、前記外力を受けない状態において平面視アレイ状に配置していることが好ましい。
【００１７】
ところで、前記固定電極要素を移動不能に支持する支持部材を備えれば、電気特性を測定する際に生じる誤差を好適に防止することができる。
【００１８】
また、前記移動電極要素を、前記導電性弾性部材の表面へ露出するように配置すれば、該移動電極要素の前記導電性弾性部材への組み込みを容易にできる。
【００１９】
ところで、前記導電性弾性部材の望ましい態様としては、その導電性弾性部材が、外力により圧縮復元又は伸張復元可能に形成される基材と、その基材に混成させた導電性を有する複数の導電性部材とを備え、前記基材に外力が加わった際にその外力の作用を受けた部位に位置付けられる導電性部材同士の接触状態が変化することにより異なる内部抵抗値を示すように構成したものが挙げられる。このとき、前記複数の導電性部材が、少なくとも２種類以上の異なる大きさに分類されるものであり、さらに、前記導電性部材が、金属粒子あるいはカーボン粒子等の導電性を有する粒子であるか、あるいは、金属繊維あるいはカーボン繊維等の導電性を有する繊維であることが特に望ましい。
【００２０】
また、センサ素子に加わる外力を分析するセンサ装置の望ましい態様としては、そのセンサ装置に、前記センサ素子と、前記センサ素子に備えた電極要素間の電気特性を組毎に測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した組毎の電極要素間の電気特性に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段とを具備するものが挙げられる。
【００２１】
そして、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記導電性弾性部材の変形後の形状を推定する形状推定手段を具備すれば、外力により変形した導電性弾性部材の形状を推定することができる。
【００２２】
また、前記形状推定手段で推定した導電性弾性部材の形状を、３次元的に画面表示する３ための次元表示手段を具備すれば、外力により変形した導電性弾性部材の形状をより具体的に知ることができる。
【００２３】
また、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段を備えるとともに、前記対象物の表面状態又は組成を示す対象物データを格納する対象物判別データ格納手段を備え、前記対象物判別手段が、前記対象物判別データ格納手段に格納している対象物データを参照することにより、対象物の表面状態又は組成を判別するように構成すれば、対象物の表面状態や組成を好適に知ることもできる。
【００２４】
ところで、上述のようなセンサ素子を用いて所望の位置に対象物を移動制御するためには、対象物移動制御装置に、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた電極要素間の電気特性を組毎に測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した組毎の電極要素間の電気特性に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物に対する接触手段の３次元的な位置を制御する第１位置制御手段とを備えることが望ましい。このとき、前記接触手段が、人間の手指を模倣した形状を有することが望まれる。
【００２５】
また、上述のようなセンサ素子を用いて対象物を判別するためには、対象物判別装置に、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた電極要素間の電気特性を組毎に測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した組毎の電極要素間の電気特性に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段と、前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を所定方向へ移動させる第２位置制御手段とを備え、前記第２位置制御手段が前記接触手段を前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を移動させた際に、前記外力分析手段で分析される外力情報に基づき、前記対象物判別手段が前記対象物の表面状態又は組成を判別するように構成したものが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
以上に詳述した本発明によれば、本実施形態のセンサ素子は、外力により圧縮又は伸張した際に電気特性の変化する導電性弾性部材と、外部から電気特性を測定するための電力供給を受け得る複数の電極要素とを具備し、前記複数の電極要素を、所定数の電極要素から成る電気特性を測定するための１以上の組に編成するとともに、前記組を成す所定数の電極要素を、前記導電性弾性部材の内部乃至その表面に３次元的に配置したものであるので、センサ素子を圧縮又は伸張する向きに外力が加わった場合、その外力に応じて導電性弾性部材の電気特性が変化し、その導電性弾性部材の内部乃至その表面に３次元的に配置される組を成す所定の電極要素間の電気特性に変化が生じる。すなわち、これら電極要素間の電気特性の変化に基づき外力を受けて移動した電極要素の位置を求めれば、センサ素子に加わる外力を三次元的に検知することができる。また、このような組が所定範囲に複数配置されるものであれば、その所定範囲に加わる外力の分布を好適に検知することもできる。
【００２７】
また、上述のセンサ素子を利用すれば、対象物を好適に把持制御可能な対象物移動制御装置を実現したり、あるいは、対象物の表面状態又は組成を好適に判断し得る対象物判別装置を実現したりすることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
本発明のセンサ装置Ｐは、図１に示すように、対象物ＯＢを移動させたりその表面や組成を判別させたりするためにその対象物ＯＢと接触させてなる接触手段たるロボットハンドＲＨと、このロボットハンドＲＨの各指の腹に取り付けたセンサ素子Ｓと、そのセンサ素子Ｓに加わる外力Ｆにより変化する電気特性を測定分析するとともに、その分析結果に基づき前記ロボットハンドＲＨを所定動作させる図示しないセンサ装置本体Ｐ１とを具備する。
【００３０】
以下、各部を詳述する。
【００３１】
前記ロボットハンドＲＨは、前記センサ装置本体Ｐ１から受ける制御信号に基づき、前記対象物ＯＢを所望の位置へ移動制御されるものであって、本実施形態では、人の手指を模倣した形状を有している。
【００３２】
前記センサ素子Ｓは、外力Ｆにより圧縮又は伸張した際に電気特性の変化する導電性弾性部材Ｄと、前記導電性弾性部材を支持する支持部材たる基盤Ｂと、前記導電性弾性部材Ｄの内部乃至その表面に３次元的に配置されるとともに外部から前記電気特性を測定するための電力供給を受け得る複数の電極要素Ｒとを具備するものである。
【００３３】
より具体的に、前記導電性弾性部材Ｄは、図２（ａ）に示すように、外力Ｆにより圧縮復元又は伸張復元可能に形成されるシリコンからなる基材Ｄ１と、その基材Ｄ１に混成させた導電性を有する複数の導電性部材Ｄ２とを備え、図２（ｂ）に示すように、前記基材Ｄ１に外力Ｆが加わった際にその外力Ｆの作用を受けた部位に位置付けられる導電性部材Ｄ２同士の接触状態が変化することにより異なる内部抵抗値を示すように構成している。なお、本実施形態では、前記導電性部材Ｄ２に、略同一の大きさからなるカーボン粒子を採用しているが、これに限らず、例えば、図３に示すような、金属粒子又は金属繊維あるいはカーボン繊維等の導電性を有する繊維を採用してもよい。また、少なくとも２種類以上の異なる大きさに分類されるカーボン粒子を前記基材Ｄ１に分散配置して、三次元的に加わる外力Ｆをより好適に検知し得るように構成するといった実施態様も考えられる。
【００３４】
基盤Ｂは、前記導電性弾性部材Ｄを支持するものであって、外力Ｆを受けた際にも変形しない硬質ゴムにて形成している。なお、この基盤Ｂの材質は、硬質ゴムに限らず、外力を受けた際にも変形しないものであれば、例えば、合成樹脂製のものや金属製のものであってもよい。
【００３５】
電極要素Ｒは、導電性を有する薄板円板状のチップであって、図４に示すように、前記導電性弾性部材Ｄの底面ＤＨ１に配置することにより、外力Ｆを受けた際にも位置が移動しないように基盤Ｂに支持される固定電極要素Ｒｆａ、Ｒｆｂ、Ｒｆｃ、Ｒｆｄ（以下、「固定電極要素Ｒｆ」と総称する。）と、前記導電性弾性部材Ｄの表面ＤＨ１へ露出するように配置するとともに、外力Ｆを受けた際に、その導電性弾性部材Ｄの変形に伴って移動し得る移動電極要素Ｒｍとを組として備え、これら固定電極要素Ｒｆと移動電極要素Ｒｍとを（以下、「電極要素Ｒ」と総称する。）、仮想的な四角錐の底面における頂点Ｔｆａ、Ｔｆｂ、Ｔｆｃ、Ｔｆｄ及び該四角錐の四辺の集まる頂点Ｔｍ１（以下、「頂点Ｔ」と総称する。）に位置付けている。なお、本実施形態では、外力Ｆを受けない状態において、電極要素Ｒｆａ、Ｒｍ１、Ｒｆｃ及び電極要素Ｒｆｂ、Ｒｍ１、Ｒｆｄを、平面視した際に、それぞれが直線的に配置されるように構成している。
【００３６】
前記センサ装置本体Ｐ１は、例えば、パソコンやワークステーション等の一般的な情報処理機能を有したコンピュータであり、図５に示すように、ＣＰＵ１０１、内部メモリ１０２、ＨＤＤ等の外部記憶装置１０３、前記センサ素子Ｓに電力を印加するとともに前記ロボットハンドＲＨの位置制御を行うための通信インタフェース１０４、ディスプレイ１０５、マウスやキーボードといった入力手段１０６等を具備している。
【００３７】
そして、本実施形態では、図６に示すように、センサ装置本体Ｐ１に、所定のプログラムをインストールし、そのプログラムに基づいて前記ＣＰＵ１０１や周辺機器を協働させることにより、このセンサ装置本体Ｐ１が、電気特性測定手段１１、外力分析手段１２、第１位置制御手段１３、対象物判別データ格納手段１４、対象物判別手段１５、第２位置制御手段１６、形状推定手段１７、３次元表示手段１８等としての機能を具備するように構成している。
【００３８】
より具体的には、前記電気特性測定手段１１は、前記センサ素子Ｓに備えた固定電極要素Ｒｆと移動電極要素Ｒｍ１との間の抵抗値を測定するものであって、本実施形態では、図４に示すように、固定電極要素Ｒｆａ−移動電極要素Ｒｍ１間の抵抗値ｄｒａと、固定電極要素Ｒｆｂ−移動電極要素Ｒｍ１間の抵抗値ｄｒｂと、固定電極要素Ｒｆｃ−移動電極要素Ｒｍ１間の抵抗値ｄｒｃと、固定電極要素Ｒｆｄ−移動電極要素Ｒｍ１間の抵抗値ｄｒｄ（以下、「抵抗値ｄｒ」と総称する。）とを測定するように設定している。
【００３９】
前記外力分析手段１２は、前記電気特性測定手段１１で測定した電極要素Ｒ間の抵抗値ｄｒに基づき、前記外力Ｆの大きさや方向等その外力Ｆに関する外力情報を分析するものである。
【００４０】
さらに詳述すると、外力Ｆを受けた際に測定した各抵抗値から各電極間の距離を求めるための下式（数１）及び、前記式（数１）で求めた各電極間の距離から移動電極要素Ｒｍ１の位置ｘを求めるための（数２）より、外力情報を分析し、外力Ｆにより移動した移動電極要素Ｒｍ１の位置ｘを求め得るように構成している。
（数１）  ｒｉ＝ｆ（Ｒｉ）  （ｉ＝１、２、３、４）
ここで、ｒｉは、移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆとの間の距離であって、ｉ＝１のときは移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆａとの間の距離、ｉ＝２のときは移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆｂとの間の距離、ｉ＝３のときは移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆｃとの間の距離、ｉ＝４のときは移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆｄとの間の距離を示す。また、Ｒｉは、移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆとの間の抵抗値ｄｒであり、ｉ＝１のときは移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆａとの間の抵抗値ｄｒａ、ｉ＝２のときは移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆｂとの間の抵抗値ｄｒｂ、ｉ＝３のときは移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆｃとの間の抵抗値ｄｒｃ、ｉ＝４のときは移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆｄとの間の抵抗値ｄｒｄを示す。
【００４１】
なお、ｆ（・）は、導電性弾性部材Ｄの特性で決定される関数である。
（数２）  ｘ＝ａｒｇ  ｍｉｎ＿｛ｘ´｝（｜ｘｉ−ｘ´｜−ｒｉ）＾２  （ｉ＝１、２、３、４）
ここで、ｘは、求める移動電極要素Ｒｍ１の位置ベクトルを示す。ｘ´は、外力を受けることにより頂点（Ｔｍ１）に移動した移動電極要素Ｒｍ１の位置ベクトルを示す。ｘｉは、固定電極要素Ｒｆの位置ベクトルであり、ｉ＝１のときは固定電極要素Ｒｆａの位置ベクトル、ｉ＝２のときは固定電極要素Ｒｆｂの位置ベクトル、ｉ＝３のときは固定電極要素Ｒｆｃの位置ベクトル、ｉ＝３のときは固定電極要素Ｒｆｄの位置ベクトルを示す。
【００４２】
前記第１位置制御手段１３は、前記外力分析手段１２で分析された外力情報に基づき、前記対象物ＯＢに対する接触手段の３次元的な位置を制御するものである。
【００４３】
前記対象物判別データ格納手段１４は、前記対象物ＯＢの表面状態又は組成を示す対象物データを格納するものであって、前記内部メモリ１０２又は外部記憶装置１０３の所定領域に形成している。より具体的には、対象物ＯＢたる絹、麻、ウールといった各種繊維の表面状態を示す動摩擦係数を、例えば、ロボットハンドＲＨの移動速度を１ｍｍ／ｓｅｃ、ロボットハンドＲＨがその対象物ＯＢに加える荷重を５０ｇｆとして予め測定し、その測定した動摩擦係数を対象物データたる参照動摩擦係数として格納している。なお、この対象物判別データ格納手段１４に格納する対象物データは、動摩擦係数に限らず静摩擦係数やその他対象物の表面状態や組成を示すものであれば、本実施形態に限られるものではない。また、インターネットを介して入手したりあるいはＣＤ−ＲＯＭで頒布されるものから入手するといった実施態様も考えられる。
【００４４】
前記対象物判別手段１５は、前記外力分析手段１２で分析された外力情報及び前記対象物判別データ格納手段１４に格納している対象物データたる参照動摩擦係数に基づき、前記対象物ＯＢの表面状態又は組成を判別するものである。より具体的には、ロボットハンドＲＨの移動速度を１ｍｍ／ｓｅｃ、ロボットハンドＲＨがその対象物ＯＢに加える荷重を５０ｇｆとして測定した測定動摩擦係数を、前記参照動摩擦係数と所定の関係にあるか否かを判定し、所定の関係にあればその参照動摩擦係数の示す表面状態を、測定した対象物ＯＢの表面状態として判別する。
【００４５】
前記第２位置制御手段１６は、図７に示すように、前記センサ素子Ｓを前記対象物ＯＢの表面に接触させながら前記接触手段を所定方向へ移動させるものである。なお、本実施形態では、前記対象物判別手段１５で測定する対象物ＯＢの表面状態を判別する際には、前記ロボットハンドＲＨをその移動速度が１ｍｍ／ｓｅｃ、そのロボットハンドＲＨがその対象物ＯＢに加える荷重が５０ｇｆとなるように制御する。
【００４６】
前記形状推定手段１７は、前記外力分析手段１２で分析された外力情報に基づき、前記導電性弾性部材Ｄの変形後の形状を推定するものである。
【００４７】
前記３次元表示手段１８は、前記形状推定手段１７で推定した導電性弾性部材Ｄの形状を、３次元的に画面表示するためのものであって、前記ディスプレイ１０５等を利用して構成している。
【００４８】
次に、以上のように構成されるセンサ装置Ｐを用いたシステムの動作について図８及び図９に示すフロー図等を用いて説明する。
【００４９】
なお、本実施形態のセンサ装置Ｐを構成するセンサ素子Ｓは、図１に示すように、ロボットハンドＲＨの親指ＲＨ１と人差し指ＲＨ２の腹側に取り付けられるとともに図示しない接続ケーブルでセンサ装置本体Ｐ１に接続されるものとし、さらにこのセンサ装置Ｐを対象物移動制御装置として機能させるものとして説明を行う。
【００５０】
まず、第１位置制御手段１３が、ロボットハンドＲＨの両指で対象物たるブロックＯＢをつまむべく、そのロボットハンドＲＨ及び両指ＲＨ１、ＲＨ２の位置を制御する（ステップＳ１０１）。そしてロボットハンドＲＨに取り付けたセンサ素子ＳがブロックＯＢに当接すると、に外力Ｆが加わり、図２（ｂ）、図４に示すように電極要素Ｒ間の距離及び導電性部材Ｄ２同士の接触状態が変化し、それに伴い各電極要素Ｒ間における抵抗値ｒが変化する。そして、電極要素Ｒ間の抵抗値ｒが変化し、前記センサ装置本体Ｐ１の電気特性測定手段１１が、抵抗値ｒに変化があったことを検知すると、前記外力分析手段１２が、前記電気特性測定手段１１で測定した電極要素Ｒ間の抵抗値ｒに基づき、その外力Ｆに関する外力情報を分析し（ステップＳ１０２）、前記第１位置制御手段１３が、前記外力分析手段１２で分析された外力情報に基づき、前記対象物ＯＢに対するロボットハンドＲＨ及び指ＲＨ１、ＲＨ２の３次元的な位置を制御する（ステップＳ１０１）。より具体的には、例えば、この第１位置制御手段１３は、図４に示すように、前記外力分析手段１２において、移動電極要素Ｒｍ１が、外力Ｆを受けることにより位置Ｌ１から位置Ｌ２に移動したと分析された場合には、その位置Ｌ１から位置Ｌ２へと向かう方向Ｖ１と反対の方向へ移動するように、接触手段の３次元的な位置を制御する。このようにして、該センサ装置Ｐを、ブロックＯＢを好適に把持制御可能な対象物移動制御装置として機能させることができる。
【００５１】
また、該センサ装置Ｐを対象物判別装置として機能させる際には、図７に示すように、水平面に載置する対象物ＯＢたる繊維の表面に対し,前記ロボットハンドＲＨに取り付けたセンサ素子Ｓを摺動させれば、その繊維の表面状態又は組成を判別することもできる。
【００５２】
具体的には、まず、センサ装置本体Ｐ１の第２位置制御手段１６が、ロボットハンドＲＨの指で前記繊維の表面を撫でるべく、そのロボットハンドＲＨ又は指の位置を摺動制御する（ステップＳ２０１）。すると、センサ素子Ｓに前記繊維の表面から受ける外力Ｆが加わり、図２（ｂ）、図４に示すように電極要素Ｒ間の距離及び導電性部材Ｄ２同士の接触状態が変化し、それに伴い各電極要素Ｒ間における抵抗値ｒが変化する。
【００５３】
このように、電極要素Ｒ間の抵抗値ｒが変化し、前記センサ装置本体Ｐ１の電気特性測定手段１１が、抵抗値ｒに変化があったことを検知すると、前記外力分析手段１２が、前記電気特性測定手段１１で測定した電極要素Ｒ間の抵抗値ｒに基づき、前記外力Ｆの大きさや方向等その外力Ｆに関する外力情報を分析し（ステップＳ２０２）、前記対象物判別手段１５が、前記外力分析手段１２で分析された外力情報及び前記対象物判別データ格納手段１４に格納している対象物データたる参照動摩擦係数に基づき、前記対象物ＯＢの表面状態又は組成を判別する（ステップＳ２０３）。このようにして、該センサ装置Ｐを、対象物ＯＢの表面状態又は組成を好適に判断し得る対象物判別装置として機能させることができる。また、該センサ装置本体Ｐ１を前記電気特性測定手段１１で測定した電極要素Ｒ間の抵抗値ｒに基づき、前記導電性弾性部材Ｄの変形後の形状を推定するステップと、前記形状推定手段１７で推定した前記導電性弾性部材Ｄの変形後の形状を、前記３次元表示手段１８がディスプレイ１０５に表示するステップとして機能させれば、より具体的に対象物ＯＢを認識することもできる。
【００５４】
なお、センサ素子Ｓを図１０に示すように構成すれば、所定範囲に亘って加わる外力を分析できるので、より高機能なものとして活用することができる。
【００５５】
具体的に、図１０に示すセンサ素子Ｓを説明すると、このセンサ素子Ｓは、図４に示すセンサ素子と同様の導電性弾性部材Ｄと、基盤Ｂと、９個の移動電極要素Ｒｍ１１〜Ｒｍ３３と、１６個の固定電極要素Ｒｆ１１〜Ｒｆ４４とを具備している。
【００５６】
そして、前記移動電極要素Ｒｍ１１〜Ｒｍ３３を、格子状をなすように導電性弾性部材Ｄの表面ＤＨ２に表出させて配置するとともに、前記固定電極要素Ｒｆ１１〜Ｒｆ４４を、該センサ素子Ｓを平面視した際に、各移動電極要素Ｒｍが４個の固定電極要素Ｒｆの中心に位置付けられるように配置して基盤Ｂに支持させている。（例えば、移動電極要素Ｒｍ１２に対しては、固定電極要素Ｒｆ１２、Ｒｆ１３、Ｒｆ２３、Ｒｆ２２を基盤Ｂに支持されるように導電性部材Ｄ２の下面ＤＨ１に配置する。）
そして、複数の電極要素Ｒを、例えば、固定電極要素Ｒｆ１１、Ｒｆ１２、Ｒｆ２２、Ｒｆ２１と移動電極要素Ｒｍ１１とからなる組や、固定電極要素Ｒｆ１２、Ｒｆ１３、Ｒｆ２３、Ｒｆ２２と移動電極要素Ｒｍ１２とからなる組のように、９つの組に編成する。このように編成した組毎に、上述の方法と同様にして外力を分析すれば、所定範囲に亘って加わる外力を好適に分析することができる。
【００５７】
すなわち、図１０のように構成したセンサ素子Ｓを用いれば、外力Ｆにより変形した導電性弾性部材Ｄの形状を好適に推定することができ、また、対象物ＯＢの表面状態や組成を好適に知ることもできる。
【００５８】
以上に詳述したように、本実施形態のセンサ素子Ｓは、そのセンサ素子Ｓを圧縮又は伸張する向きに外力Ｆが加わった場合、その外力Ｆによって導電性弾性部材Ｄが変化し、変化した導電性弾性部材Ｄの内部乃至その表面に３次元的に配置される移動電極要素Ｒｍと固定電極要素Ｒｆとの間の抵抗値ｒに変化が生じる。この移動電極要素Ｒｍと固定電極要素Ｒｆとの間の抵抗値ｒの変化に基づき、外力Ｆを受けて移動した移動電極要素Ｒｍの位置を求めることができるので、センサ素子Ｓに加わる外力Ｆを三次元的に検知することができる。
【００５９】
また、このようなセンサ素子Ｓを利用すれば、対象物ＯＢを好適に把持制御可能な対象物移動制御装置を実現したり、あるいは、対象物ＯＢの表面状態又は組成を好適に判断し得る対象物判別装置を実現したりすることもできる。
【００６０】
なお、本実施形態では、前記導電性弾性部材Ｄを構成する基材Ｄ１にシリコンを用いたが、非導電性の他の材料等で代用することもできる。
【００６１】
また、センサ素子ＳをロボットハンドＲＨに取り付けるものとして説明したが、そのセンサ素子Ｓを対象物に取り付けるなど、実施態様に応じて取付場所及びその個数は適宜設定可能である。
【００６２】
さらに、複数の電極要素Ｒの配置方法も、本実施形態に限らず、例えば、図４に示す各電極要素Ｒｆ間の距離ｒ１１、ｒ１２、ｒ１３、ｒ１４を同一に設定せずに異なるようにしてもよい。また、図１０に示すセンサ素子における電極要素Ｒの組み合わせも、例えば、移動電極要素Ｒｍ１と固定電極要素Ｒｆ１１、Ｒｆ１４、Ｒｆ４４、Ｒｆ４１とを組み合わせたものとするなど、本実施形態に限られるものでない。さらに移動電極要素Ｒｍに組み合わせる固定電極要素Ｒｆの個数も実施態様に応じて任意に設定することができる。
【００６３】
その他、本発明は以上に詳述した図示例に限られず、種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施形態におけるセンサ装置の全体構成を示す図
【図２】同実施形態における導電性弾性部材の構造断面を模式化して示す概略構造断面図。
【図３】同実施形態における導電性弾性部材の構造断面を模式化して示す概略構造断面図。
【図４】同実施形態における導電性部材の配置を模式化して示す概略配置図。
【図５】同実施形態におけるセンサ装置本体の内部機器構成図。
【図６】同実施形態における全体の機器の機能を示す機能構成図。
【図７】本発明の実施形態におけるセンサ装置の全体構成を示す図
【図８】同実施形態におけるセンサ装置本体の動作を示すフロー図。
【図９】同実施形態におけるセンサ装置本体の動作を示すフロー図。
【図１０】本発明の他の実施形態における導電性部材の配置を模式化して示す概略配置図。
【符号の説明】
【００６５】
Ｂ・・・支持部材（基盤）
Ｄ・・・導電性弾性部材
Ｄ１・・・基材
Ｄ２・・・導電性部材
Ｆ・・・外力
ＯＢ・・・対象物（ブロック）
Ｐ・・・センサ装置（対象物移動制御装置、対象物判別装置）
Ｒ・・・電極要素
Ｒｆ（Ｒｆａ、Ｒｆｂ、Ｒｆｃ、Ｒｆｄ、Ｒｆ１１〜Ｒｆ４４）・・・固定電極要素
Ｒｍ（Ｒｍ１、Ｒｍ１１〜Ｒｍ３３）・・・移動電極要素
ＲＨ・・・接触手段（ロボットハンド）
Ｓ・・・センサ素子
Ｔ（Ｔｆａ、Ｔｆｂ、Ｔｆｃ、Ｔｆｄ、Ｔｍ１）・・・頂点
１１・・・電気特性測定手段
１２・・・外力分析手段
１３・・・第１位置制御手段
１４・・・対象物判別データ格納手段
１５・・・対象物判別手段
１６・・・第２位置制御手段
１７・・・形状推定手段
１８・・・３次元表示手段
【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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