(57)【要約】【課題】圧力を受ける部分に電極やＦＰＣ等の断線や剥離のおそれがあるものを配置することなく、圧力分布を検出することができ、かつ電極のための配線が少なく、自由曲面へのフィッティングが容易である触覚センサを提供する。【解決手段】測定対象領域に位置し非導電性の測定面を有する絶縁バックアップ部材１２と、絶縁バックアップ部材の測定面を覆うように密着し加圧力に応じて加圧部分のインピーダンスが変化する感圧導電性ゴム１４と、感圧導電性ゴムの外縁に沿って間隔を隔てて取り付けられた複数の電極１６と、各電極に一端が接続された複数の信号線１８と、信号線の他端が接続され隣接する１対の電極に電圧を印加しそれ以外の隣接する電極間の電位差を計測する計測装置２０と、電位差から感圧導電性ゴムの各部分に作用する圧力分布を計算する演算装置２２とを備える。【選択図】図４
2008256401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象領域に位置し非導電性の測定面を有する絶縁バックアップ部材と、
該絶縁バックアップ部材の前記測定面を覆うように密着し、加圧力に応じて加圧部分のインピーダンスが変化する感圧導電性ゴムと、
該感圧導電性ゴムの外縁に沿って間隔を隔てて取り付けられた複数の電極と、
該各電極に一端が接続された複数の信号線と、
該信号線の他端が接続され、隣接する１対の電極に電圧を印加し、それ以外の隣接する電極間の電位差を計測する計測装置と、
前記電位差から感圧導電性ゴムの各部分に作用する圧力分布を計算する演算装置とを備える、ことを特徴とするＥＩＴ触覚センサ。
【請求項２】
前記演算装置は、計測された電位差から逆問題解析を用いて内部のインピーダンス分布を推定し、その分布から感圧導電性ゴムにかかる圧力の値を推定する、ことを特徴とする請求項１に記載のＥＩＴ触覚センサ。
【請求項３】
前記感圧導電性ゴムは、圧力の増加に対してインピーダンスが減少する感圧導電性ゴム、或いは圧力の増加に対してインピーダンスが増加する感圧導電性ゴムであり、
前記演算装置は、非負拘束条件または非正拘束条件の下に逆問題を解く、ことを特徴とする請求項２に記載のＥＩＴ触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットハンドの手の平や各フィンガに作用する圧力分布を検出するための触覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドの手の平や各フィンガに作用する圧力分布を検出するための触覚センサとして、非特許文献１、特許文献１，２が知られている。また、本発明と関連する技術が非特許文献２，３に開示されている。
【０００３】
非特許文献１の小型分布型触覚センサは、図７Ａのようにロボットの指先などに感圧ゴムを用いた触覚センサを配置する場合に、図７Ｂのように、感圧ゴム層の下部に電極を配置し、柔軟層、感圧ゴム層、電極、ＦＰＣ層などの多層構造とするものである。
【０００４】
特許文献１は、多数の部位相互間の大きさが異なる負荷を、同じ感度帯で同時に計測して制御できるロボットハンド用触覚センサを目的とする。
そのため、この発明は、図８に示すように、印加・レシーブ側端子５０，５１からの集合配線群５２，５３を分岐して５本の指用配線群５５ａ〜５５ｅ及び掌用配線群５６が形成されおり、指用配線群には、指先と第１関節相互間、第１・第２関節相互間、第２・第３関節相互間の圧力分布を検知するため感圧部５７ａ〜５７ｃが、掌用配線群にはこれのほぼ全域の圧力分布を検知するための感圧部５８が、それぞれ接続されているロボットハンド用触覚センサにおいて、全ての感圧部について同じ感度帯が使用されるべく、受ける負荷が小さい感圧部に緩衝材５９を貼り付けているものである。
【０００５】
特許文献２は、フィンガに複雑な動きをさせるために、フィンガの先端部での圧力分布もしくは接触状態の分布を検出することが可能なロボットフィンガを目的とする。
そのため、この発明は、図９に示すように、末節６０の骨格部材６２の先端に円柱面６２ａを形成し、この円柱面６２ａに分布型触覚センサ６４を設けているので、この円柱面６２ａでの圧力分布や接触中心等を検出することができ、この圧力分布や接触中心等に基づいて、末節６０の先端部と対象物との間の接触状態や相対位置を認識しつつ、ロボットフィンガ６１の制御を行うことが可能になり、ロボットフィンガ６１により小さな対象物や細かな凹凸を有する対象物を操ることも可能になる。
【０００６】
【非特許文献１】久下、中西、竹住、大塚、「ロボットハンド用小型分布型触覚センサの開発」、第２２回ロボット学会学術講演会（２００４年）１Ｊ２４
【非特許文献２】Ｄａｖｉｄ  Ｓ  Ｈｏｌｄｅｒ，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ”，ＩＯＰ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｌｔｄ  ２００５，ＩＳＢＮ  ０−７５０３−０９２５−０
【非特許文献３】長久保晶彦、國吉康夫、「逆問題解析にもとづく触覚分布センサ：原理」、第２４回日本ロボット学会学術講演会、２００６年９月
【非特許文献４】郭松、「カーボンマイクロコイル（ＣＭＣ）を混入したゴム材料のセンシング原理に関する考察」、Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｖｏｌ．２４，  Ｎｏ．３（２００６）  ｐｐ．１５４−１６０
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３３０３７０号公報、「ロボットハンド用触覚センサ」
【特許文献２】特開２００６−３０５６５８号公報、「ロボットフィンガ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の触覚センサでは、電極を１カ所にまとめて出力しなくてはいけないので、一般に配線は長く複雑になり、センサに衝撃や急激な熱変化が加わると容易に断線する。また電極と感圧ゴムとの接着も困難であり、この箇所が剥離を起こすとその部分の計測が不可能となる。
【０００９】
すなわち、従来の感圧ゴムを用いた触覚センサは感圧素子を弾性体に埋め込む構造よりも低価格に柔軟な面状触覚センサを構築できるが、これまでは圧力を計測したい個々の部位に電極を配置する必要があり、目的の解像度によっては配線が膨大になり、伸張率の差から断線や剥離が起こりやすく、衝撃に弱い、などの問題点があった。
【００１０】
また、感圧ゴムの下側に電極を配置する必要があるため、その電極のための配線が複雑になり、断線などの不具合が生じやすい。またゴム、電極、ＦＰＣの３層構造になるため、衝撃による剥離や断線が起こりやすく耐久性が低い。またＦＰＣとゴムを貼り合わせる必要があるため、自由曲面へのフィッティングが難しい、などの問題点があった。
【００１１】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、圧力を受ける部分に電極やＦＰＣ等の断線や剥離のおそれがあるものを配置することなく、圧力分布を検出することができ、かつ電極のための配線が少なく、自由曲面へのフィッティングが容易である触覚センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、測定対象領域に位置し非導電性の測定面を有する絶縁バックアップ部材と、
該絶縁バックアップ部材の前記測定面を覆うように密着し、加圧力に応じて加圧部分のインピーダンスが変化する感圧導電性ゴムと、
該感圧導電性ゴムの外縁に沿って間隔を隔てて取り付けられた複数の電極と、
該各電極に一端が接続された複数の信号線と、
該信号線の他端が接続され、隣接する１対の電極に電圧を印加し、それ以外の隣接する電極間の電位差を計測する計測装置と、
前記電位差から感圧導電性ゴムの各部分に作用する圧力分布を計算する演算装置とを備える、ことを特徴とするＥＩＴ触覚センサが提供される。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記演算装置は、計測された電位差から逆問題解析を用いて内部のインピーダンス分布を推定し、その分布からさらに感圧導電性ゴムにかかる圧力の値を推定する。
【００１４】
また、前記感圧導電性ゴムは、圧力の増加に対してインピーダンスが減少する感圧導電性ゴム、或いは圧力の増加に対してインピーダンスが増加する感圧導電性ゴムであり、
前記演算装置は、非負拘束条件または非正拘束条件の下に逆問題を解く、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記本発明の構成によれば、測定対象領域には、絶縁バックアップ部材とこれに密着する感圧導電性ゴムのみが位置するので、圧力を受ける部分に電極やＦＰＣ等の断線や剥離のおそれがあるものを配置する必要がなく、自由曲面へのフィッティングが容易である。
【００１６】
また、感圧導電性ゴムは加圧力に応じて加圧部分のインピーダンスが変化するので、その外縁に取り付けられた複数の電極間の電位差を計測する計測装置と、演算装置とにより、感圧導電性ゴムの各部分に作用する圧力分布を計算することができ、かつ電極のための配線が少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
【００１８】
初めに本発明の原理を説明する。
図１は、非特許文献２に開示されたＥＩＴの原理図であり、図２は非特許文献３に記載されたＥＩＴのシステム構成図である。
ＥＩＴ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：電気インピーダンストモグラフィー）は、ＣＴスキャンの代用技術として医療分野で研究されてきたものである。ＥＩＴでは、図１及び図２に示すように、ある抵抗分布をもつ導電体に対し、その外周部に複数の電極を設置する。
【００１９】
図３は、ＥＩＴにおける電位分布の変化を示す図である。
２つの電極間に電流を流すと、電流は電極間を直進するだけでなく、導電体に広がるように流れる。そのため、この図に示すように、抵抗のため電流に沿って電位勾配が生じ、電流の通過領域には電位分布が現われる。導電体の抵抗分布が変化すると電位分布も変化するので、これを電極で計測する。
【００２０】
次に、異なる電極の組み合わせにより別経路の電流を流し、その電位分布を計測する。以上を繰り返し、複数の電流パターンとそれに対応する電位分布データを計測する。
【００２１】
以上のデータから抵抗分布γを推定する。一般に抵抗分布γと注入電流情報ｃから電位分布Ｖを算出する順問題Ｖ＝Ｆ（γ、ｃ）は直接解が得られるが、その逆問題γ＝Ｉｎｖ（Ｖ，ｃ）は直接解が得られない。そのため予想抵抗分布γｉから、対応する電位分布Ｖｉ＝Ｆ（γｉ、ｃ）を計算し、Ｖｉと実際の計測電位分布Ｖｍの誤差を減らすようにγｉを更新し、これらを反復計算することで抵抗分布γを推定する。
【００２２】
上述した従来のＥＩＴでは、内部の領域を分割して離散化し、数１の式（１）の行列式を解くことで内部の伝導度変化を求める。ここで、ｍ，ｎは測定の電極番号の添字、ｘ，ｙは面状ゴムの座標である。
変換行列と測定値δＶからδσを求めるには、基本的には式（２）のような最小二乗法問題を解くことによる。ここでＡ，ｘ，ｂはＳ，δσ，δＶに対応する。
【００２３】
【数１】
2008256401.tif 000003
【００２４】
しかし、ＥＩＴのような逆問題解析では解の不安定性が生じやすい問題がある。その結果、測定値に含まれる微小なノイズが再構成結果に重大な影響を及ぼすことがある。
そこで従来のＥＩＴでは、解の不安定性を防ぐため、最小二乗法問題の代わりに、数２の式（３）に示すのような拘束条件付き問題を解いている。この方法は正規化と呼ばれる。ここで、αは正の定数で、Ｌはフィルタ演算子である。
従来のＥＩＴでは、このような拘束を付けることによって解が不安定になることを防いでいるが、効果としてはｘが急激に変わることを防いでいるにすぎない。また、αとＬを任意に選択しており、その選択により結果が変化するため、正しい結果が必ずしも得られない問題点があった。
【００２５】
【数２】
2008256401.tif 000004
【００２６】
本発明の触覚センサは、上述したＥＩＴを用いており、「ＥＩＴ触覚センサ」と呼ぶ。以下、本発明のＥＩＴ触覚センサを説明する。
図４は、本発明のＥＩＴ触覚センサの全体構成図である。この図において、本発明のＥＩＴ触覚センサ１０は、絶縁バックアップ部材１２、感圧導電性ゴム１４、複数の電極１６、複数の信号線１８、計測装置２０、および演算装置２２を備える。
【００２７】
絶縁バックアップ部材１２は、測定対象領域に位置し、非導電性の測定面を有する。非導電性の測定面の形状は、平面でも、その他の任意の形状であってもよい。
【００２８】
感圧導電性ゴム１４は、絶縁バックアップ部材１２の測定面を覆うように密着して取り付けられる。感圧導電性ゴム１４の形状は、円形でも、その他の任意の形状であってもよい。
感圧導電性ゴム１４は、加圧力に応じて加圧部分のインピーダンスが変化する特性を有する。また、感圧導電性ゴム１４は、厚さが均一で、穴や欠損がなく、どの位置でも厚さ方向及び面内の任意方向のインピーダンスが等しいことが好ましい。
【００２９】
また感圧導電性ゴム１４は、圧力の増加に対してインピーダンスが減少する感圧導電性ゴムであるのが好ましい。このような特性の感圧導電性ゴムとして、例えば、非特許文献４に開示されたカーボンマイクロコイル（ＣＭＣ）を混入したゴム材料を用いることができる。
なお本発明はこの構成に限定されず、逆に圧力の増加に対してインピーダンスが増加する感圧導電性ゴムであってもよい。
【００３０】
複数（この例では１６個）の電極１６は、感圧導電性ゴム１４の外縁に沿って間隔を隔てて取り付けられる。電極間の間隔は、一定であるのが好ましいが、不均一であってもよい。
【００３１】
複数（この例では１６本）の信号線１８は、一端が各電極に接続され、他端が計測装置２０に接続されている。
計測装置２０は、隣接する１対の電極１６に電圧を印加し、それ以外の隣接する電極間の電位差を計測する。印加する電圧は、交流でも直流でもよい。
【００３２】
演算装置２２は、計測した電位差から感圧導電性ゴム１４の各部分に作用する圧力分布を計算する。
演算装置２２は、例えばコンピュータ（ＰＣ）であり、計測された電位差から上述した逆問題解析を用いて内部のインピーダンス分布を推定し、その分布からさらに感圧導電性ゴムにかかる圧力の値を推定する。
【００３３】
本発明では、図４のように電極１６を周囲にのみ配置し、中心部分にはまったく配置しない。この電極１６に対し、計測装置２０により、隣合ったある１組の電極１６に交流もしくは直流の電圧を印加し、それ以外の隣合った電極同士の電位差を計測していくことによって、一連の測定値を得る。
この測定値から演算装置２２により、逆問題解析を用いて内部のインピーダンスの分布を推定し、その分布からさらに感圧導電性ゴム１４に作用する圧力分布を計算する。
【００３４】
本発明のＥＩＴ触覚センサ１０では、圧力は加わるだけで負になることはない。そこで感圧導電性ゴム１４の抵抗値は増加するか減少するかのどちらかだけに限定できる。これにより、非負拘束条件（または非正拘束条件）を加えることが可能で、逆問題を効果的に解くことができる。
【００３５】
以下、本発明における非負拘束条件（または非正拘束条件）の効果を説明する。
上述したように、従来のＥＩＴでは、解の不安定性を防ぐため、最小二乗法問題の代わりに、数２の式（３）に示すのような拘束条件付き問題を解いている。しかしαとＬを任意に選択しており、その選択により結果が変化するため、正しい結果が必ずしも得られない問題点があった。
【００３６】
これに対し、本発明のＥＩＴ触覚センサ１０では、基準値から圧力が増える方向には変化し、減る方向には変化することはないと仮定できるので、正規化の代わりに数３の式（４）に示す非負（または非正）の条件を用いて拘束を付加する。
本発明の後述する実施例によれば、この拘束により触覚センサとしての性能が制限されることがなく、かつ十分に不安定性が抑えられることが分かった。
【００３７】
【数３】
2008256401.tif 000005
【実施例１】
【００３８】
図５は、図４に示した本発明のＥＩＴ触覚センサ１０において、式（２）を用いて処理した結果を示す図であり、図６は、式（４）を用いて処理した結果を示す。
図５、図６ともそれぞれ同じデータ（導電性ゴムの１点に力を加えた場合）に基づき、得られた圧力分布を示している。なお、それぞれ（Ａ）は、ＣＲＴ上の解析結果の全体、（Ｂ）はその圧力分布図である。
【００３９】
図５において、式（２）を用いた場合には、加圧した１点が特定できずに、不明瞭な結果となっている。これに対して、図６に示すように、式（４）を用いて処理した場合には、図に矢印で示すように、加圧した１点が明瞭に表示されていることがわかる。
このように非負（非正）の条件だけを用いることで、フィルタの選択が不要で、十分に検証されたアルゴリズムを用いることができる。従って、この問題ではこの条件のもとに解を求めることが適切であるといえる。
【００４０】
また、本発明は、柔軟面状触覚センサに対して非常に有効であり、理論的には１６個の電極で内部を１００以上の領域に分割する分解能が得られる。また上述した例のように円状の平面だけでなく自由な周囲形状の自由曲面に対しても適用することが可能である。従って、ロボットだけでなくベッドやイスなどの身の回りにあるほとんどの物体を覆うことが可能であり、しかも材料自体は非常に低コストである。
また感圧導電性ゴムに限らず、導電性のあらゆる素材に対して適用が可能であり、建築物の中に埋め込めば地震などの損傷を検知することも可能である。
【００４１】
上述した本発明の構成によれば、測定対象領域には、絶縁バックアップ部材１２とこれに密着する感圧導電性ゴム１４のみが位置するので、圧力を受ける部分に電極１６やＦＰＣ等の断線や剥離のおそれがあるものを配置する必要がなく、自由曲面へのフィッティングが容易である。
【００４２】
また、感圧導電性ゴム１４は加圧力に応じて加圧部分のインピーダンスが変化するので、その外縁に取り付けられた複数の電極間の電位差を計測する計測装置２０と、演算装置２２とにより、感圧導電性ゴム１４の各部分に作用する圧力分布を計算することができ、かつ電極のための配線が少ない。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に包含される全ての実施形態を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】非特許文献２に開示されたＥＩＴの原理図である。
【図２】非特許文献３に記載されたＥＩＴのシステム構成図である。
【図３】ＥＩＴにおける電位分布の変化を示す図である。
【図４】本発明のＥＩＴ触覚センサの全体構成図である。
【図５】本発明のＥＩＴ触覚センサにおいて、式（２）を用いた結果を示す図である。
【図６】本発明のＥＩＴ触覚センサにおいて、式（４）を用いた結果を示す図である。
【図７】非特許文献１の小型分布型触覚センサの模式図である。
【図８】特許文献１のロボットハンド用触覚センサの模式図である。
【図９】特許文献２のロボットフィンガの模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  ＥＩＴ触覚センサ、１２  絶縁バックアップ部材、
１４  感圧導電性ゴム、１６  電極、１８  信号線、
２０  計測装置、２２  演算装置
【図１】
2008256401.tif 000006
【図２】
2008256401.tif 000007
【図３】
2008256401.tif 000008
【図４】
2008256401.tif 000009
【図５】
2008256401.tif 000010
【図６】
2008256401.tif 000011
【図７】
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【図８】
2008256401.tif 000013
【図９】
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