(57)【要約】【課題】検知しなければならない物体からの力が状況に応じて変わっても、力の的確な検知が可能な触覚検知装置を提供する。【解決手段】この触覚検知装置１は、触覚検知器２と触覚検知制御器６と計測器７とを備えるものにおいて、触覚検知器２は、開口部３１ａを有する内空間部３１及びそれに内部で連通し気体又は液体を供給する供給路３２が形成されたベース部３と、内空間部３１の開口部３１ａを塞ぎ、内空間部３１の気体又は液体の圧力に応じて膨張し得るシート部４と、印加された力を検知するものであって、シート部４に埋め込まれ、シート部４の膨張により傾き得るセンサー５と、を有し、触覚検知制御器６は、供給路３２から内空間部３１に気体又は液体を供給し、計測器７は、センサー５が検知した値を計測する。【選択図】図１
2018163047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触覚検知器と触覚検知制御器と計測器とを備える触覚検知装置において、
前記触覚検知器は、
開口部を有する内空間部及びそれに内部で連通し気体又は液体を供給する供給路が形成されたベース部と、
前記内空間部の前記開口部を塞ぎ、前記内空間部の気体又は液体の圧力に応じて膨張し得るシート部と、
印加された力を検知するものであって、該シート部に埋め込まれ、該シート部の膨張により傾き得るセンサーと、を有し、
前記触覚検知制御器は、前記供給路から前記内空間部に気体又は液体を供給し、
前記計測器は、前記センサーが検知した値を計測することを特徴とする触覚検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の触覚検知装置において、
前記シート部は、前記ベース部と別部材であることを特徴とする触覚検知装置。
【請求項３】
請求項２に記載の触覚検知装置において、
前記シート部は、前記ベース部よりも柔軟性が高いことを特徴とする触覚検知装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の触覚検知装置において、
前記センサーは、前記内空間部の前記開口部の中心からずれて配置されていることを特徴とする触覚検知装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の触覚検知装置において、
前記センサーは、１個の前記内空間部に対して、１個又は２個以上設けられていることを特徴とする触覚検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットなどの把持部の遠隔操作においては、操作者には把持部とそれが把持する物体との接触状態が提示され、操作者はそれに対応する適正な遠隔操作を行わなければならない。そのため、把持部には、物体との接触状態を検知する触覚検知装置が設けられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、柔軟構造を有するロボットの把持部の表面に複数のセンサー（例えば、圧力センサー）を配置した触覚検知装置が開示されている。この触覚検知装置では、物体の把持開始時の把持部の表面に働く法線接触力と初期圧力重心位置を測定し、その後、物体を持ち上げる際に、柔軟構造は物体に働く外力（重力）に応じて変形して圧力重心位置が移動するため、そのときの重心位置の移動量を基にして滑りの発生を判定、予想できるとしている。
【０００４】
また、特許文献２には、ロボットなどの把持部に弾性材料により形成された空気袋を配列して設け、空気袋の内圧を圧力センサーで検知して物体の大きさと位置を触覚し、気体供給により空気袋の内圧を改変して柔軟度を変化させることができ、それにより滑り落ちを防止できるとしている触覚検知装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９７５４２号公報
【特許文献２】特開２００８−１４９４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、触覚検知装置が検知しなければならない物体からの力は、例えば、把持するときには物体の応力、把持を維持するときには物体が滑ろうとする力、というように、状況に応じて変わる場合が少なくない。しかしながら、そういう場合、特許文献１及び特許文献２を含め従来の触覚検知装置においては、力の的確な検知という点で、改善の余地がある。
【０００７】
本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、検知しなければならない物体からの力が状況に応じて変わっても、力の的確な検知が可能な触覚検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の触覚検知装置は、触覚検知器と触覚検知制御器と計測器とを備える触覚検知装置において、前記触覚検知器は、開口部を有する内空間部及びそれに内部で連通し気体又は液体を供給する供給路が形成されたベース部と、前記内空間部の前記開口部を塞ぎ、前記内空間部の気体又は液体の圧力に応じて膨張し得るシート部と、印加された力を検知するものであって、該シート部に埋め込まれ、該シート部の膨張により傾き得るセンサーと、を有し、前記触覚検知制御器は、前記供給路から前記内空間部に気体又は液体を供給し、前記計測器は、前記センサーが検知した値を計測することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の触覚検知装置は、請求項１に記載の触覚検知装置において、前記シート部は、前記ベース部と別部材であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の触覚検知装置は、請求項２に記載の触覚検知装置において、前記シート部は、前記ベース部よりも柔軟性が高いことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の触覚検知装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の触覚検知装置において、前記センサーは、前記内空間部の前記開口部の中心からずれて配置されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の触覚検知装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の触覚検知装置において、前記センサーは、１個の前記内空間部に対して、１個又は２個以上設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の触覚検知装置によれば、検知しなければならない物体からの力が状況に応じて変わっても、力の的確な検知が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る触覚検知装置を模式的に示すものであって、触覚検知器は断面図、触覚検知制御器と計測器はブロック図で示している。
【図２】同上の触覚検知装置の触覚検知器を拡大して示すものであって、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線で示す切断面で切断した断面図である。
【図３】同上の触覚検知装置のセンサーを拡大して示すものであって、（ａ）が平面図、（ｂ）が右側面図である。
【図４】同上の触覚検知装置の触覚検知器に物体が接触したときを模式的に示す断面図であって、（ａ）が物体を把持するとき、（ｂ）が物体の把持を維持するときである。
【図５】同上の触覚検知装置のプロトタイプを示すものであって、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線で示す切断面で切断した断面図である。
【図６】同上の触覚検知装置のプロトタイプを用いた実験状態を示すものであって、（ａ）が実験１、（ｂ）が実験２ａ、（ｃ）が実験２ｂを示す断面図である。
【図７】同上の触覚検知装置のプロトタイプを用いた実験１の実験結果を示すグラフである。
【図８】同上の触覚検知装置のプロトタイプを用いた実験２ａ、２ｂの実験結果を示すグラフであって、（ａ）が実験２ａ、（ｂ）が実験２ｂについてのものである。
【図９】同上の触覚検知装置のプロトタイプを用いた実験２ａ、２ｂの実験結果から導いたＦＥＴ特性を示すグラフであって、（ａ）が実験２ａ、（ｂ）が実験２ｂについてのものである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係る触覚検知装置１は、図１に示すように、触覚検知器２と触覚検知制御器６と計測器７とを備える。触覚検知器２は、ロボットなどの把持部ＲＯに設けられており、ベース部３とシート部４とセンサー５とを有する。本実施形態では、ベース部３とシート部４は別部材となっている。
【００１６】
ベース部３は、図２（ａ）、（ｂ）で示すように、内空間部（チャンバー）３１と供給路３２が形成されている。ベース部３は、例えば、シリコーン樹脂製とすることができる。
【００１７】
内空間部３１は、開口部３１ａを有する。内空間部３１は、平面視で角形又円形のものとすることができる。内空間部３１の数とサイズは、触覚検知装置１の用途に応じて様々に変更可能である。
【００１８】
供給路３２は、内空間部３１に内部で連通し、触覚検知制御器６にチューブ６Ａを介して接続され、内空間部３１に気体又は液体を供給するものである。
【００１９】
シート部４は、ベース部３の表面に貼り付けられ、内空間部３１の開口部３１ａを塞ぐ。シート部４は、内空間部３１の気体又は液体の圧力に応じて膨張可能である。より詳細には、シート部４は、内空間部３１の気体又は液体の圧力が所定の値であると、実質的に膨張していない状態が可能であり、所定の値より大きくなるにつれて膨張が大きくなる。シート部４は、薄肉のものであり、膨張し易いように、ベース部３よりも柔軟性が高い素材とすることができる。シート部４は、例えば、ベース部３よりも柔軟性を高くしたシリコーン樹脂製とすることができる。
【００２０】
センサー５は、シート部４に埋め込まれている。センサー５は、ベース部３の内空間部３１の数に対応した数だけ設けられる。
【００２１】
センサー５は、本実施形態では、歪ゲージを用いている。センサー５は、一般的には、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、全体的に平板状のものであり、樹脂製のゲージベース５１と、その上の平面上に金属がパターニングされた抵抗素子５２と、抵抗素子５２に半田付けされた金属製の２個のリード線５３、５３と、ゲージベース５１上の抵抗素子５２とリード線５３、５３とを覆う樹脂製のラミネート材５４と、を有するものである。リード線５３、５３は、電気配線７Ａに接続される。
【００２２】
センサー５は、それに印加される力を検知する。その検知した値は、後述するように計測器７によって計測される。詳細には、印加される力により、抵抗素子５２が歪んで抵抗値が変わり、その抵抗値の変化を２個のリード線５３、５３を通して計測器７が計測する。なお、本実施形態では、センサー５の向きとは、抵抗素子５２が形成される平面の法線の向きを言うものとする。
【００２３】
センサー５は、内空間部３１の開口部３１ａの中心からずれて配置されている。そのため、センサー５は、シート部４の膨張に応じて傾く。本実施形態では、シート部４が実質的に膨張していない状態だと、センサー５の向きは、ベース部３の表面に対して垂直な向きである。そして、シート部４の膨張が大きくなっていくと、センサー５の向きは、ベース部３の表面に対して垂直な向きから傾く。
【００２４】
センサー５は、ある一定向きの力を検知しようとするとき、センサー５の向きにより感度が異なるのが普通である。ロボットなどの把持部ＲＯが物体Ｍを把持するとき（把持しようとするとき）には、センサー５の向きを、図４（ａ）に示すように、ベース部３の表面に対して垂直な向きとしてベース部３の表面に対して垂直な力を検知し易いようにすることができる。一方、ロボットなどの把持部が物体Ｍの把持を維持するときには、センサー５の向きを、図４（ｂ）に示すように、ベース部３の表面に対して垂直な向きから傾けて、物体Ｍが滑る方向の力（ベース部３の表面に対して平行に近い力）を検知し易いようにすることができる。
【００２５】
このように、触覚検知装置１は、センサー５の向きを可動にすることで、検知しなければならない物体Ｍからの力が状況に応じて変わっても、力の的確な検知が可能になる。また、センサー５の傾きの程度は、物体Ｍの種類に応じ、又は、把持の状態に応じて変えることが可能である。
【００２６】
なお、センサー５は、１個の内空間部３１に対して、１個に限らず、２個以上設けてもよい。センサー５が２個以上の場合、それらを例えば内空間部３１の開口部３１ａの中心から対称的に配置して、物体Ｍが１次元の往復運動や２次元の運動をし得る場合に印加される力をより検知し易くすることができる。
【００２７】
触覚検知制御器６は、チューブ６Ａ及び供給路３２を介して内空間部３１に気体又は液体を供給する。触覚検知制御器６は、ロボットなどの把持部ＲＯが物体Ｍを把持するとき（把持しようとするとき）には、センサー５の向きがベース部３の表面に対して垂直な向きになるように、気体又は液体を加圧して供給する。また、ロボットなどの把持部が物体Ｍの把持を維持するときには、センサー５の向きがベース部３の表面に対して垂直な向きから傾くように、気体又は液体を、物体Ｍを把持するときよりも加圧して供給する。なお、センサー５の向きを変えるためには、シート部４の剛性が低ければ（柔軟性が高ければ）気体又は液体の圧力の変化は比較的小さく、剛性が高ければ（柔軟性低ければ）気体又は液体の圧力の変化は比較的大きくなる。また、内空間部３１に供給する気体又は液体の圧力は、複数個の内空間部３１ごとに変えることも可能であるし、複数個の内空間部３１全てを共通にすることも可能である。後者の場合、触覚検知制御器６は、１個のチューブ６Ａが接続され、途中で分岐して各々が供給路３２に接続されるようにすることができる。
【００２８】
計測器７は、電気配線７Ａを介して、センサー５が検知した値を計測する。計測器７は、センサー５に対応した既存の一般的な回路が適用可能である。
【００２９】
このように、触覚検知装置１は、ロボットなどの把持部ＲＯが物体Ｍを把持するときと把持を維持するときとで、印加される力の向きに応じてセンサー５の向きを異ならせることができるので、センサー５の感度などの特性を好適に利用することができる。
【００３０】
次に、本願発明者が製作した触覚検知装置１のプロトタイプを用いた実験について述べる。
【００３１】
図５（ａ）、（ｂ）に、このプロトタイプを示す。ベース部３の外形は、縦４０ｍｍ、横５０ｍｍ、高さ１０ｍｍのサイズの直方体である。ベース部３の表面（縦４０ｍｍ、横５０ｍｍの面）に、平面視で長方形の内空間部３１を２個形成している。内空間部３１は、縦３０ｍｍ、横１０ｍｍ、高さ６ｍｍのサイズである。また、内空間部３１に連通する供給路３２を形成している。シート部４は、ベース部３よりも柔軟性が高い素材のものとしている。シート部４は、２個の内空間部３１を含むベース部３の表面をすべて覆ってベース部３に接着されている。なお、図５（ａ）においては、縦方向は上下方向、横方向は左右方向、図５（ｂ）においては、高さは上下方向である。
【００３２】
センサー５は、内空間部３１のそれぞれの開口部３１ａの上方に、開口部３１ａの中心から一方向に（図５（ａ）、（ｂ）においては右側に）ずれて配置されている。
【００３３】
ベース部３は、シリコーン樹脂（ＳＭＯＯＴＨ−ＯＮ社製の商品名Ｄｒａｇｏｎ  ＳｋｉｎＲ  ２０）の液体を型に注入して作製した。センサー５が埋め込まれたシート部４は、以下のようにして製作した。先ず、シリコーン樹脂（ＳＭＯＯＴＨ−ＯＮ社製の商品名ＥｃｏｆｌｅｘＲ  １０）の１ｍｍの薄い液体層を途中まで固化し、株式会社共和電業製の歪ゲージのセンサー５を所定の位置に配置した。その上に、同じシリコーン樹脂の液体を注ぎ、完全に固化するまで放置した。
【００３４】
触覚検知装置１のプロトタイプを用いた実験（実験１及び実験２）は、以下のとおりである。
【００３５】
先ず、実験１について述べる。実験１では、センサー５の向きをベース部３の表面に対して垂直な向きとしている。この場合、触覚検知制御器６は、空気圧を０．０１ＭＰａとして空気を内空間部３１に供給するようにした。把持するときに物体Ｍから印加される力を模擬するため、図６（ａ）に示すように、球形のローラーＣを配置して、１個のセンサー５の位置でシート部４の上から不規則的に０〜５Ｎのパルス状の力をシート部４（ベース部３）の表面に対して垂直に加えた。計測器７は、計測する速度を５００Ｈｚとし、また、増幅及びデジタルデータ化した電圧値を出力するようにした。
【００３６】
図７は、実験１の結果を示したものである。センサー５は、ローラーＣによる力を的確に（敏感に）検知していることが分かる。
【００３７】
次に、実験２について述べる。実験２の中で、実験２ａでは、センサー５の向きを、ベース部３の表面に対して垂直な向きから傾けている。この場合、触覚検知制御器６は、空気圧を０．０５ＭＰａとして空気を内空間部３１に供給するようにした。実験２ｂでは、センサー５の向きをベース部３の表面に対して垂直な向きとしている。この場合、触覚検知制御器６は、空気圧を０．０１ＭＰａとして空気を内空間部３１に供給するようにした。実験２ａ及び実験２ｂにおいて、把持を維持するときに物体Ｍから印加される滑り方向の力を模擬するため、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、球形のローラーＣを配置して、シート部４の上を４Ｈｚの周期で回転しながら端から端まで往復走行するようにした。計測器７は、計測する速度を５００Ｈｚとし、また、増幅及びデジタルデータ化した電圧値を出力するようにした。
【００３８】
図８において、（ａ）は実験２ａの実験結果、（ｂ）は実験２ｂの実験結果をそれぞれ示したものである。図８（ａ）、（ｂ）を比較すると、（ａ）の方がローラーＣによる力を的確に（敏感に）検知していることが分かる。
【００３９】
また、図９において、（ａ）は実験２ａの実験結果のＦＥＴ特性、（ｂ）は実験２ｂの実験結果のＦＥＴ特性をそれぞれ示したものである。（ａ）では、ローラーＣの回転数が４Ｈｚであるため、この周波数でピークが顕著に現れている。（ｂ）では、４Ｈｚでのピークは、他の周波数成分と明確に識別できないものとなっている。
【００４０】
このように、触覚検知装置１のプロトタイプを用いた実験（実験１及び実験２）により、印加される力の向きに応じてセンサー５の向きを異ならせることで、センサー５の感度などの特性を好適に利用することができ、状況（物体Ｍを把持するとき及び物体Ｍの把持を維持するとき）に応じた力の検知が可能であることが分かる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態に係る触覚検知装置について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。例えば、ベース部３とシート部４は、場合によっては、１つの部材で一体的に形成することも可能である。また、センサー５は、歪ゲージ以外のセンサーとすることも可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１    触覚検知装置
２    触覚検知器
３    ベース部
３１  内空間部
３１ａ  内空間部の開口部
３２  供給路
４    シート部
５    センサー
５１  ゲージベース
５２  抵抗素子
５３  リード線
５４  ラミネート材
６    触覚検知制御器
６Ａ  チューブ
７    計測器
７Ａ  電気配線
Ｃ    球形のローラー
Ｍ    物品
ＲＯ  把持部
【図１】
2018163047.tif 000003
【図２】
2018163047.tif 000004
【図３】
2018163047.tif 000005
【図４】
2018163047.tif 000006
【図５】
2018163047.tif 000007
【図６】
2018163047.tif 000008
【図７】
2018163047.tif 000009
【図８】
2018163047.tif 000010
【図９】
2018163047.tif 000011