(57)【要約】【課題】ロボットハンドやマニピュレータにおける任意物体把持や操りを正確に行ったり、または人とより親和性の高い物理的インタラクションをとることができるようにする。【解決手段】センサ２１は、物体や人の指などが触れる入力部３１、入力部３１を支える固定部３２、および外部接続部３３により構成されている。入力部３１は、シリコンゲル材料のような粘弾性材料と希土類磁性粉の複合材料で構成され、外部からの荷重により容易に変形する応力磁界変換部４１と、ホール素子のような１以上の磁電変換素子などが配置される回路基板などで構成され、隣接する応力磁界変換部４１の表面から発生する磁束を検出し、電圧出力する磁界検出部４２により構成されている。本発明は、任意物体を把持して操ったり、移動させる動作を行うロボットハンドマニピュレータに適用できる。【選択図】図３
2008039659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石原料と粘弾性材料を混練し成形した粘弾性磁石と、
前記粘弾性磁石の変形による磁束密度ベクトルの変化を検出する磁束検出手段と
を備える検出装置。
【請求項２】
前記磁束検出手段は、ＸＹＺ座標系における１軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出し、出力電圧に変換する磁気検出素子で構成される
請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記磁気検出素子は、前記１軸が前記粘弾性磁石のバイアス磁化方向に略平行となるように配置される
請求項２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧の中点電圧は、前記粘弾性磁石に対しての荷重方向と前記粘弾性磁石の変形に応じて設定される
請求項３に記載の検出装置。
【請求項５】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧を用いて、前記粘弾性磁石に対しての荷重圧力情報を検出する情報検出手段をさらに備える
請求項２に記載の検出装置。
【請求項６】
前記磁束検出手段は、ＸＹＺ座標系における２軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出し、出力電圧に変換する磁気検出素子で構成される
請求項１に記載の検出装置。
【請求項７】
前記２軸のうち一方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、前記一方の軸が前記粘弾性磁石のバイアス磁化方向と略平行になるように配置され、
前記２軸のうち他方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、前記一方の軸に対して前記他方の軸が略垂直になるように配置される
請求項６に記載の検出装置。
【請求項８】
前記一方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子からの前記出力電圧の中点電圧は、前記粘弾性磁石に対しての荷重方向と前記粘弾性磁石の変形に応じて設定される
請求項７に記載の検出装置
【請求項９】
前記他方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、２つで構成され、前記２つの磁気検出素子の中心が前記一方の軸上に位置するように配置される
請求項６に記載の検出装置。
【請求項１０】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧を用いて、前記粘弾性磁石に対しての荷重圧力情報および荷重中心位置情報を検出する情報検出手段をさらに備える
請求項６に記載の検出装置。
【請求項１１】
前記磁束検出手段は、ＸＹＺ座標系における３軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出し、出力電圧に変換する磁気検出素子で構成される
請求項１に記載の検出装置。
【請求項１２】
前記３軸のうち第１軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、前記粘弾性磁石のバイアス磁化方向に略平行に配置され、
前記第１軸をｚ軸としたとき、前記３軸のうち第２軸および第３軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、前記第２軸および第３軸が、前記ｚ軸に対してｘ軸およびｙ軸となるようにそれぞれ配置される
請求項１１に記載の検出装置。
【請求項１３】
前記第１軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子からの前記出力電圧の中点電圧は、前記粘弾性磁石に対しての荷重方向と前記粘弾性磁石の変形に応じて設定される
請求項１２に記載の検出装置
【請求項１４】
前記第２の軸および第３の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、それぞれ２つで構成され、前記２つの磁気検出素子の中心が前記第１軸上に位置するようにそれぞれ配置される
請求項１１に記載の検出装置。
【請求項１５】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧を用いて、前記粘弾性磁石に対しての荷重圧力情報および荷重中心位置情報を検出する情報検出手段をさらに備える
請求項１１に記載の検出装置。
【請求項１６】
前記粘弾性磁石には、薄い表層が一体化されている
請求項１に記載の検出装置。
【請求項１７】
磁束密度ベクトルの変化を検出する磁束検出手段を備える検出装置の検出方法において、
前記磁束検出手段が、磁石原料と粘弾性材料を混練し成形した粘弾性磁石の変形による磁束密度ベクトルの変化を検出する
ステップを含む検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出装置および方法に関し、特に、ロボットハンドやマニピュレータに接触している物体の静的状態や動的挙動、または人との物理的インタラクションを容易に検出することができるようにした検出装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドやマニピュレータにおいて、多種多様な大きさや形状、表面状態、重量の任意物体を起用に把持して操りを行ったり、人間と親和性の高い物理的インタラクション（相互作用）を行うためには、少なくとも、「力の大きさ、方向、分布」を検知できることが必要であり、それらに加えて、「すべり」、「転がり」、「振動」などの物体の動的挙動を検知できることも必要である。さらに、物体を把持する指先や皮膚にあたる部分には、把持に最適なやわらかさ（粘弾性、超弾性、ゴム的性質）と表面の摩擦によるグリップ性が必要である。
【０００３】
一方、人間が手先を使って操作する機械（リモートコントローラ、コントローラ、ボリュームスイッチなど）は、指先発生力やその位置を正確に検知するセンサデバイスが必要である。
【０００４】
ここで、一般的な触覚センサは、以下の５種類に分類される。
【０００５】
１．接触（接触の有無、接近の確認）のセンサとしては、例えば、リミットスイッチ、圧力センサ、光センサ、ホール素子、静電容量センサなどが挙げられる。
【０００６】
２．圧覚（圧力、力、把握力）のセンサとしては、例えば、半導体圧力センサ、ストレインゲージ、モータ電位、バネ変位などが挙げられる。
【０００７】
３．分布触覚（圧力分布、力分布）のセンサとしては、感圧ゴム＋電極フィルム、感圧高分子フィルム＋電極板、光センサ＋ゴム板、集積化半導体圧力などが挙げられる。
【０００８】
４．すべり覚（相対変位、すべり振動、せん断力）のセンサとしては、ローラorボール＋エンコーダ、振動センサ、３次元触覚センサなどが挙げられる。
【０００９】
５．力覚（力、モーメント）のセンサとしては、ストレインゲージ＋構造体、ひずみブロック、光センサ＋バネ、駆動力センサなどが挙げられる。
【００１０】
なお、これらの触覚センサの１つとして、特許文献１には、皮膚などの粘弾性体表面の力学特性を測定するために、変形量から特性を測定する測定装置が記載されており、特許文献２には、感圧センサに用いる際に好適な磁性粒子が所定の位置に配列された磁性粒子分散膜が記載されている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−８５５４８号公報
【特許文献２】特開２００４−２７３１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように、多くの種類の触覚センサが存在するが、ロボットハンドやマニピュレータにおける任意物体把持や操り、または人と親和性の高い物理的インタラクションを行えるセンサは少なく、さらに物体を把持する指先や皮膚にあたる部分に最適なやわらかさと表面摩擦によるグリップ性を求めたものは殆ど見当たらない。
【００１３】
また、感圧ゴムや光を利用したもののように、一部柔軟材料の変形を利用したものが見られるが、それらには色々な問題点があったり、複雑な構造であったり、高価な製品であることが多かった。
【００１４】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ロボットハンドやマニピュレータに接触している物体の静的状態や動的挙動、または人との物理的インタラクションを容易に検出することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一側面の検出装置は、磁石原料と粘弾性材料を混練し成形した粘弾性磁石と、前記粘弾性磁石の変形による磁束密度ベクトルの変化を検出する磁束検出手段とを備える。
【００１６】
前記磁束検出手段は、ＸＹＺ座標系における１軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出し、出力電圧に変換する磁気検出素子で構成されることができる。
【００１７】
前記磁気検出素子は、前記１軸が前記粘弾性磁石のバイアス磁化方向に略平行となるように配置されることができる。
【００１８】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧の中点電圧は、前記粘弾性磁石に対しての荷重方向と前記粘弾性磁石の変形に応じて設定されることができる。
【００１９】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧を用いて、前記粘弾性磁石に対しての荷重圧力情報を検出する情報検出手段をさらに備えることができる。
【００２０】
前記磁束検出手段は、ＸＹＺ座標系における２軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出し、出力電圧に変換する磁気検出素子で構成されることができる。
【００２１】
前記２軸のうち一方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、前記一方の軸が前記粘弾性磁石のバイアス磁化方向と略平行になるように配置され、前記２軸のうち他方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、前記一方の軸に対して前記他方の軸が略垂直になるように配置されることができる。
【００２２】
前記一方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子からの前記出力電圧の中点電圧は、前記粘弾性磁石に対しての荷重方向と前記粘弾性磁石の変形に応じて設定されることができる。
【００２３】
前記他方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、２つで構成され、前記２つの磁気検出素子の中心が前記一方の軸上に位置するように配置されることができる。
【００２４】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧を用いて、前記粘弾性磁石に対しての荷重圧力情報および荷重中心位置情報を検出する情報検出手段をさらに備えることができる。
【００２５】
前記磁束検出手段は、ＸＹＺ座標系における３軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出し、出力電圧に変換する磁気検出素子で構成されることができる。
【００２６】
前記３軸のうち第１軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、前記粘弾性磁石のバイアス磁化方向に略平行に配置され、前記第１軸をｚ軸としたとき、前記３軸のうち第２軸および第３軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、前記第２軸および第３軸が、前記ｚ軸に対してｘ軸およびｙ軸となるようにそれぞれ配置されることができる。
【００２７】
前記第１軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子からの前記出力電圧の中点電圧は、前記粘弾性磁石に対しての荷重方向と前記粘弾性磁石の変形に応じて設定されることができる。
【００２８】
前記第２の軸および第３の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子は、それぞれ２つで構成され、前記２つの磁気検出素子の中心が前記第１軸上に位置するようにそれぞれ配置されることができる。
【００２９】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧を用いて、前記粘弾性磁石に対しての荷重圧力情報および荷重中心位置情報を検出する情報検出手段をさらに備えることができる。
【００３０】
前記粘弾性磁石には、薄い表層が一体化されていることができる。
【００３１】
本発明の一側面の検出方法は、磁束密度ベクトルの変化を検出する磁束検出手段を備える検出装置の検出方法において、前記磁束検出手段が、磁石原料と粘弾性材料を混練し成形した粘弾性磁石の変形による磁束密度ベクトルの変化を検出するステップを含む。
【００３２】
本発明においては、磁石原料と粘弾性材料を混練し成形した粘弾性磁石の変形による磁束密度ベクトルの変化が検出される。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、ロボットハンドやマニピュレータにおける任意物体把持や操りを正確に行ったり、または人とより親和性の高い物理的インタラクションをとることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、明細書または図面に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、明細書または図面に記載されていることを確認するためのものである。従って、明細書または図面中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。
【００３５】
本発明の一側面の検出装置（例えば、図３のセンサ２１）は、磁石原料と粘弾性材料を混練し成形した粘弾性磁石（例えば、図３の応力磁界変換部４１）と、前記粘弾性磁石の変形による磁束密度ベクトルの変化を検出する磁束検出手段（例えば、図３の磁界検出部４２）とを備える。
【００３６】
前記磁束検出手段は、ＸＹＺ座標系における１軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出し、出力電圧に変換する磁気検出素子（例えば、図１３のｚ軸のホール素子８１ｚ）で構成されることができる。
【００３７】
前記磁気検出素子（例えば、図１４のｚ軸のホール素子８１ｚ）は、前記１軸が前記粘弾性磁石のバイアス磁化方向（例えば、図１４のバイアス磁界Ｂの方向）に略平行となるように配置されることができる。
【００３８】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧を用いて、前記粘弾性磁石に対しての荷重圧力情報を検出する情報検出手段（例えば、図１５の信号処理部１１２）をさらに備えることができる。
【００３９】
前記磁束検出手段は、ＸＹＺ座標系における２軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出し、出力電圧に変換する磁気検出素子（例えば、図１３のｘ軸のホール素子８１ｘとｚ軸のホール素子８１ｚ）で構成されることができる。
【００４０】
前記２軸のうち一方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子（例えば、図１４のｚ軸のホール素子８１ｚ）は、前記一方の軸が前記粘弾性磁石のバイアス磁化方向（例えば、図１４のバイアス磁界Ｂの方向）と略平行になるように配置され、前記２軸のうち他方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子（例えば、図１４のｘ軸のホール素子８１ｘ１）は、前記一方の軸に対して前記他方の軸が略垂直になるように配置されることができる。
【００４１】
前記他方の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子（例えば、図１４のｘ軸のホール素子８１ｘ１および８１ｘ２）は、２つで構成され、前記２つの磁気検出素子の中心が前記一方の軸上に位置するように配置されることができる。
【００４２】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧を用いて、前記粘弾性磁石に対しての荷重圧力情報および荷重中心位置情報を検出する情報検出手段（例えば、図１５の信号処理部１１２）をさらに備えることができる。
【００４３】
前記磁束検出手段は、ＸＹＺ座標系における３軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出し、出力電圧に変換する磁気検出素子（例えば、図１３のｘ軸のホール素子８１ｘ、ｙ軸のホール素子８１ｙ、およびｚ軸のホール素子８１ｚ）で構成されることができる。
【００４４】
前記３軸のうち第１軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子（例えば、図１４のｚ軸のホール素子８１ｚ）は、前記粘弾性磁石のバイアス磁化方向（例えば、図１４のバイアス磁界Ｂの方向）に略平行に配置され、前記第１軸をｚ軸としたとき、前記３軸のうち第２軸および第３軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子（例えば、図１４のｘ軸のホール素子８１ｘ１およびｙ軸のホール素子８１ｙ１）は、前記第２軸および第３軸が、前記ｚ軸に対してｘ軸およびｙ軸となるようにそれぞれ配置されることができる。
【００４５】
前記第２の軸および第３の軸の前記磁束密度ベクトルの変化を検出する磁気検出素子（例えば、図１４のｘ軸のホール素子８１ｘ１および８１ｘ２と、ｙ軸のホール素子８１ｙ１および８１ｙ２）は、それぞれ２つで構成され、前記２つの磁気検出素子の中心が前記第１軸上に位置するようにそれぞれ配置されることができる。
【００４６】
前記磁気検出素子からの前記出力電圧を用いて、前記粘弾性磁石に対しての荷重圧力情報および荷重中心位置情報を検出する情報検出手段（例えば、図１５の信号処理部１１２）をさらに備えることができる。
【００４７】
前記粘弾性磁石には、薄い表層（例えば、図６のシリコンゴム６４）が一体化されていることができる。
【００４８】
本発明の一側面の検出方法は、磁束密度ベクトルの変化を検出する磁束検出手段を備える検出装置の検出方法において、前記磁束検出手段が、磁石原料と粘弾性材料を混練し成形した粘弾性磁石の変形による磁束密度ベクトルの変化を検出する（例えば、図１９のステップＳ１３）ステップを含む。
【００４９】
以下、図を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００５０】
図１は、本発明を適用したロボットハンドマニピュレータの外観の構成例を表している。
【００５１】
ロボットハンドマニピュレータは、肩間接部１１、上腕部１２、肘間接部１３、前腕部１４、手首部１５、および手部１６などからなるロボットハンド１と、ロボットハンド１の肩間接部１１を介して、ロボットハンド１を支持する支持部２で構成されている。
【００５２】
ロボットハンド１の上腕部１２および前腕部１４の内側には、それぞれセンサ２１−１および２１−２が設けられている。また、図１の左側に拡大して示すように、ロボットハンド１の手部１６を構成する掌には、センサ２１−３および２１−４が設けられており、手部１６を構成する親指の指掌面における第１関節より上には、センサ２１−５、第１関節と第２間接の間には、センサ２１−６がそれぞれ設けられており、人指し指の指掌面における第１関節より上には、センサ２１−７、第１関節と第２間接の間には、センサ２１−８がそれぞれ設けられている。
【００５３】
さらに、中指の指掌面における第１関節より上には、センサ２１−９、第１関節と第２間接の間には、センサ２１−１０がそれぞれ設けられており、薬指の指掌面における第１関節より上には、センサ２１−１１、第１関節と第２間接の間には、センサ２１−１２がそれぞれ設けられており、小指の指掌面における第１関節より上には、センサ２１−１３、第１関節と第２間接の間には、センサ２１−１４がそれぞれ設けられている。
【００５４】
なお、センサ２１−１乃至２１−１４を特に区別する必要がない場合、以下、単にセンサ２１と称する。
【００５５】
ロボットハンドマニピュレータは、ロボットハンド１の肩間接部１１、肘間接部１３、手首部１５や、手部１６の指間接部などの各関節部に内蔵されるアクチュエータを動作させて、図１に示されるマグカップなどの任意物体に、手部１６などの各センサ２１を接触させる。
【００５６】
ロボットハンド１に設けられた各センサ２１は、人間の皮膚のような柔らかさと表面に摩擦を有する磁性体で構成されており、その磁性体が外部から受ける力とその形によって様々な形状に変化し、その変形に相応して磁性体に初期的に与えられたバイアス磁束を変化させる。バイアス磁束の変化が、磁束密度の大きさや方向の変化から電圧の変化として検出され、情報化されることで、ロボットハンドマニピュレータに接触しているマグカップの静的状態（動いている物体であれば、動的挙動）などが物体の把持状態として検出される。
【００５７】
ロボットハンドマニピュレータは、検出された物体の把持状態に基づき、センサ２１自体の柔らかさおよび表面の摩擦によるグリップ性などを利用して、各関節部のアクチュエータを動作させることで、マグカップを把持し、マグカップの移動や運搬を行う。
【００５８】
以上のように、ロボットハンドマニピュレータは、多種多様な大きさや形状、表面状態、重量などの任意物体を器用に把持して操ることができる。
【００５９】
図２は、本発明のセンサの外観の構成例を示す斜視図である。
【００６０】
センサ２１は、大きく分けて、物体や人の指などが触れる入力部３１、変形する材料で構成される入力部３１を支える固定部３２、および電源を入力し、センサ２１の検出結果を、例えば、ロボットハンドマニピュレータのメイン制御部１０１（後述する図１５）などに出力する外部接続部３３により構成されている。
【００６１】
図２の例においては、入力部３１は、入力平面３１ａが四角形である四角柱型で形成されている。なお、以下、特に言及しない場合、入力平面３１ａをｘｙ平面とし、入力平面３１ａに垂直な方向をｚ軸方向として説明する。
【００６２】
図３は、図２のセンサ２１の内部の構成例を示している。図中上には、センサ２１を真上から見た上面図が示されており、図中下には、センサ２１を側面から見た側断面図が示されている。
【００６３】
入力部３１は、大きく分けて、応力磁界変換部４１および磁界検出部４２により構成される。なお、図３の上面図においては、説明の便宜上、応力磁界変換部４１が省略されている。
【００６４】
応力磁界変換部４１は、例えば、シリコンゲル材料のような粘弾性材料と希土類磁性粉の複合材料（以下、粘弾性磁石とも称する）で構成されており、外部からの荷重により容易に変形する。磁界検出部４２は、例えば、ホール素子のような１以上の磁電変換素子などが配置されている回路基板などで構成され、隣接する応力磁界変換部４１の表面から発生する磁束を検出し、電圧出力する。
【００６５】
図４は、荷重前と荷重後の入力部３１の形状の例を示している。入力部３１は、上述したように、それを構成する応力磁界変換部４１が、粘弾性特性を有するエラストマがバインダ（結合剤）として用いられている粘弾性材料からなるため、外部からの荷重により、様々な形状に容易に変形が可能である。粘弾性材料には、耐熱、耐寒、しゅう動、耐磨耗性の高いシリコンゲルが適しているが、他の材料を用いることも可能である。
【００６６】
また、入力部３１と固定部３２との境界は拘束面５１となっており、接着や一体成形により固着されている。このため、指Ａなどの入力部３１の押下により入力部３１に荷重Ｆがかけられると、ゴム材料同等の非圧縮性から、荷重後の入力部３１においては、点線に示されるもとの形状よりも側面や上面の一部が膨らむ、いわゆるバルジング現象が発生し、その形状は、荷重値や入力形状により様々な特徴を表すということが、出願人による実験の結果、認められている。
【００６７】
図５は、粘弾性材料の圧縮および引張特性の例を示している。
【００６８】
縦軸は、粘弾性材料に荷重（外力）が働くと、これに抵抗して生じる応力［Mpa］を表しており、横軸は、材料に荷重が働くことで現れる変形の、元の状態に対する度合いであるひずみ（歪）を表している。
【００６９】
ひずみが0.0である位置（すなわち、ひずみが生じていない位置）が粘弾性材料に外力が働いてない状態であり、ひずみが0.0である位置から圧縮の荷重が加わると、ひずみは、-0.8辺りまでしか変化せず、生じる応力は、ひずみが-0.5辺りまで、マイナス方向（図中下方向）に少しずつ増加し、ひずみが-0.6を超えた辺りから-0.8辺りまでは、急激に増加する。
【００７０】
一方、ひずみが0.0の位置から引張の荷重が加わると、ひずみは、2.0辺りまで変化し、生じる応力は、ひずみが2.0辺りまで、プラス方向（図中上方向）に、圧縮の場合の応力の増加に比してなだらかに増加する。
【００７１】
以上のように、粘弾性材料における圧縮の荷重に対するひずみは、ある一定の度合いを超えてしまうと、その度合い以上はあまり大きくなることはなく、その代わりにマイナス方向の応力が増加する。すなわち、粘弾性材料のひずみ（すなわち、変形）と応力には密接な関係がある。
【００７２】
次に、図６を参照して、入力部３１を構成する材料について詳しく説明する。
【００７３】
図６の例においては、磁界検出部４２は、例えばホール素子のような磁電変換素子が１以上配置され、樹脂６２などによりモールドされた回路基板６１で構成されており、固定部３２の上に接着されて固定される。
【００７４】
樹脂６２によりモールドされた回路基板６１上には、応力磁界変換部４１が接着される。図６の例においては、応力磁界変換部４１は、一般的な磁石原料と粘弾性特性を有する粘弾性材料を混練し成形した粘弾性磁石６３と、それに二色成形法などで一体化された薄膜のシリコンゴム６４により構成されている。
【００７５】
磁石原料としては、例えば、ネオジウム系やサマリウム系などの希土類、またはフェライトの磁性体粉末材料などが用いられる。粘弾性材料としては、シリコンやポリウレタンなどが用いられる。
【００７６】
この粘弾性材料は、一般的に柔らかくなるほど表面の粘着性が高いことから、物体把持や人への接触を想定した場合、それをコーティングやパウダー処理などで改質し、摩擦を低減する必要がある。しかしながら、これらの改質方法では、耐久性が低く、仕様環境で表面状態が変化する可能性が高いため、改質方法によっては、表面にムラができて、センサ２１表面の位置的な特性差が発生する恐れがある。
【００７７】
そこで、図６に示すように粘弾性磁石６３の表面に薄膜のシリコンゴム６４を一体化して応力磁界変換部４１を構成することで、表面の薄膜のシリコンゴム６４により、内部（すなわち、粘弾性磁石６３）のシリコンゲルの柔らかさを損なうことなく、耐久性向上や摩擦のコントロールをすることが可能となる。
【００７８】
図７は、荷重前と荷重後の応力磁界変換部４１にかかるバイアス磁界の例を示している。なお、実際には、荷重後、白い点線で示される応力磁界変換部４１も入力部３１と同様に変形するが、説明の便宜上、図７の荷重後においては、荷重前と同じ形に示されている。
【００７９】
応力磁界変換部４１は、図３を参照して上述したように、エラストマをバインダとして混練し、成形された粘弾性特性を有する等方性の希土類磁石（すなわち、粘弾性磁石６３）で構成されている。なお、希土類磁石は、異方性とすることもできる。そして、この応力磁界変換部４１には、成形後、荷重前の矢印に示されるように、予め磁化（着磁）によりバイアス磁界Ｂがｚ軸方向（入力平面３１ａに対しての垂直方向）に掛けられている。
【００８０】
一方、指Ａなどの入力部３１の押下により荷重Ｆがかけられた荷重後には、荷重前にｚ軸方向に揃っていたバイアス磁界Ｂの強さが、応力磁界変換部４１の変形によって差が生じ（乱れ）、材料の厚みに応じた磁界になる。すなわち、荷重後の矢印の大きさに示されるように、バルジング現象の発生により厚みが膨らんでしまった部分のバイアス磁界Ｂは、荷重前より強くなり、荷重Ｆにより厚みが薄くなってしまった部分のバイアス磁界Ｂは、荷重前より弱くなってしまう。
【００８１】
これは、応力磁界変換部４１（すなわち、希土類磁石）の厚み変化に伴って、磁石内部の反磁界が変化することに起因するものである。厚みが薄い部分ほど磁石内部の反磁界は大きくなり、図示せぬ磁石外部に発生する磁束密度が小さくなってしまう。すなわち、応力磁界変換部４１は、磁束密度と相関がある。
【００８２】
また、物体の荷重Ｆにより磁石内部に発生する応力は、図５を参照して上述したように応力磁界変換部４１（すなわち、粘弾性材料）の変形と相関がある。したがって、磁石外部に発生する磁束密度ベクトルは、物体の荷重Ｆにより磁石内部に発生する応力と密接な相関があることがわかる。
【００８３】
なお、図７の例においては、バイアス磁界Ｂは略ｚ軸方向に掛ける例を説明したが、バイアス磁界Ｂを掛ける方向は、ｚ軸方向に限らず、様々な磁石の形状や、磁石外部に発生する磁束密度を検出するセンサ配置などに応じて、異なる方向（例えば、ｚ軸方向に対して、45度や90度傾いた方向など）に掛けることもできる。
【００８４】
次に、図８および図９を参照して、磁界検出部４２の磁界検出面における表面磁束密度について説明する。
【００８５】
図８は、センサ２１の側断面図を示している。図８の例においては、応力磁界変換部４１から所定の距離Ｇ（ギャップ）だけ下方に離れた面である磁束検出面において、磁界検出部４２により磁束が検出されており、その磁束検出面と、入力平面（ｘｙ平面）３１ａのほぼ中心位置を通過する垂線との交点が原点とされたＸＹＺ座標系のｘｙｚ軸のうち、ｘ軸（図中横方向）およびｚ軸（図中縦方向）が示されている。
【００８６】
磁束検出面上には、図中左より、磁束検出点Ｄ'，Ｃ'，Ｂ'，Ａ，Ｂ，Ｃ，およびＤが示されている。これらの磁束検出点は、応力磁界変換部４１から距離Ｇだけ離れた磁束検出面（すなわち、ｘ軸）上に並んで位置している。磁界検出部４２は、その各磁束検出点Ｄ'，Ｃ'，Ｂ'，Ａ，Ｂ，Ｃ，およびＤにおいて、応力磁界変換部４１外に発生する表面磁束密度を検出する。
【００８７】
磁束検出点Ａは、ｘ軸上のほぼ中央位置（すなわち図８における原点）に位置し、磁束検出点Ａからある距離ｄだけ離れたｘ軸上の左右対称の位置には、それぞれ、磁束検出点Ｂ'およびＢが位置している。さらに、磁束検出点Ｃ'およびＣは、磁束検出点Ａから距離ｄの２倍だけ離れたｘ軸上の左右対称の位置にそれぞれ位置し、磁束検出点Ｄ'およびＤは、磁束検出点Ａから距離ｄの３倍だけ離れたｘ軸上の左右対称の位置にそれぞれ位置している。
【００８８】
ここで、例えば、ｘ軸上のほぼ中央位置である磁束検出点Ａが、荷重中心Ｐとして入力部３１に荷重がかけられる。
【００８９】
図９は、図８の各磁束検出点で検出されるｚ軸方向の表面磁束密度の例を示している。図９の例においては、縦軸がｚ軸方向の表面磁束密度[mT]を表し、横軸が磁束検出点Ａを中心とした各磁束検出点の位置（すなわち、荷重中心Ｐからの図８の各磁束検出点Ｄ'，Ｃ'，Ｂ'，Ａ，Ｂ，Ｃ，およびＤへの距離）［mm］を表している。また、点線および実線は、それぞれ、図８の各磁束検出点において検出される荷重前および荷重後のｚ軸方向の表面磁束密度を示している。
【００９０】
点線に示されるように、荷重前のｚ軸方向の表面磁束密度は、磁石形状（断面形状や長さ）による一般的な特徴のため、応力磁界変換部４１の略中央位置である磁束検出点Ａに近づくに従って小さくなっている。すなわち、磁束検出点Ａで検出される磁束密度が一番小さくなっている。
【００９１】
これに対して、実線に示されるように、荷重中心Ｐとした荷重後のｚ軸方向の表面磁束密度は、荷重中心Ｐ（すなわち、磁束検出点Ａ）付近の磁束密度がさらに小さく落ち込み、逆に、磁束検出点Ａから距離ｄ以上離れた外側（すなわち、磁束検出点Ｄ'，Ｃ'，Ｂ'，Ｂ，Ｃ，およびＤ）では、無荷重の場合（点線）よりも大きな磁束密度を示している。
【００９２】
すなわち、荷重により厚みが薄くなり磁石内部の反磁界が大きくなってしまう荷重中心Ｐ付近の磁束密度は小さくなっており、バルジング現象の発生により厚みが膨らみ、磁石内部の反磁界が小さくなってしまう外側付近の磁束密度は大きくなっている。
【００９３】
以上のように、ｚ軸方向の表面磁束密度は、荷重により材料（応力磁界変換部４１）に発生する応力の方向と大きさ（ベクトル）に関係の深いものとなる。なお、図９の例においては、ｘ軸上の各磁束検出点で測定されたｚ軸方向の表面磁束密度しか示されていないが、次に、図９の例のｘ軸上の測定点から、測定点を２次元（ｘｙ平面）に拡大して、ｚ軸方向の表面磁束密度を測定した場合の例を説明する。
【００９４】
図１０に示されるように、出願人は、図９の例の場合（すなわち、ｘ軸上の測定点の場合）から、測定点を２次元（ｘｙ平面）に拡大して、応力磁界変換部４１を構成する粘弾性磁石のｚ軸方向の表面磁束密度の測定を行った。図１０の左側には、側面側から見た応力磁界変換部４１が示されており、右側には、真上から見た応力磁界変換部４１が示されている。
【００９５】
左側に示されるように、厚さｔ＝5mmの粘弾性磁石で構成される応力磁界変換部４１のｘｙ平面（荷重面４１ａ）に対して、荷重面４１ａにおける中心を荷重中心Ｐとして、φ10mmまたはφ15mmのＴｉｐで、押し込み深さＴ＝2.5mmとなるまで荷重をかける。なお、Ｔｉｐとは、材質が硬材（樹脂や金属；ただし非磁性体）で構成される、先端に球Ｒを有する器具である。また、φ10mmのＴｉｐとは、Ｔｉｐの先端の円の直径が10mmであること、すなわち、Ｔｉｐで荷重をかけたときに、応力磁界変換部４１に触れた円周を構成する円の直径が10mmであることを表している。
【００９６】
そして、応力磁界変換部４１を挟んで荷重面４１ａと反対側に位置する磁束密度測定面ｂの各測定点で、Ｔｉｐなし（無負荷）の場合、φ10mmのＴｉｐによる荷重をかけた場合、並びに、φ15mmのＴｉｐによる荷重をかけた場合のｚ軸方向の表面磁束密度を測定する。このとき、ｚ軸方向の表面磁束密度は、右側の荷重面４１ａに示されるように、荷重面４１ａにおける中心(0,0)である荷重中心Ｐに対して、ｘ方向、ｙ方向にそれぞれ、−15mm乃至15mmの範囲で、0.5mm毎に存在する3,721個の点からなる測定点で測定される。
【００９７】
以上のようにして、それぞれ、無負荷の場合、φ10mmのＴｉｐによる荷重をかけた場合、並びに、φ15mmのＴｉｐによる荷重をかけた場合に測定された全データを、図１１および図１２に示されるように、グラフで可視化する。グラフにおいては、ｘ軸、ｙ軸が、それぞれ測定点の位置(x,y)を表し、ｚ軸は、その位置において測定されたｚ軸方向の表面磁束密度の値Ｂ［mT］を表している。
【００９８】
なお、図１１においては、ｚ軸方向の表面磁束密度の全体を把握するため、グラフが鳥瞰図で表されており、図１２においては、Ｔｉｐの大きさに対するｚ軸方向の表面磁束密度の変化の差を把握するため、ｙ方向の位置に対するｚ軸方向の表面磁束密度の変化がグラフで表されている。
【００９９】
図１１および図１２のグラフに示されるように、無負荷の場合のｚ軸方向の表面磁束密度は、測定点を２次元（ｘｙ平面）に拡大して測定した場合であっても、磁石形状（断面形状や長さ）による一般的な特徴のため、荷重中心Ｐとした荷重面４１ａの略中央位置に近づくに従って小さくなっている。
【０１００】
これに対して、φ10mmおよびφ15mmのＴｉｐによる荷重をかけた場合のｚ軸方向の表面磁束密度は、測定点を２次元（ｘｙ平面）に拡大して測定した場合であっても、荷重中心Ｐ付近の磁束密度がさらに小さく落ち込み、逆に、荷重中心Ｐから一番離れた外側付近では、無負荷の場合よりも多少ではあるが大きな磁束密度を示している。すなわち、図９の例の場合から、測定点を２次元（ｘｙ平面）に拡大して測定した場合であっても、荷重により厚みが薄くなり磁石内部の反磁界が大きくなってしまう荷重中心Ｐ付近のｚ軸方向の磁束密度は小さくなっており、バルジング現象の発生により厚みが膨らみ、磁石内部の反磁界が小さくなってしまう外側付近のｚ軸方向の磁束密度は多少ではあるが大きくなっている。
【０１０１】
また、φ10mmのＴｉｐによる荷重をかけた場合よりも、φ15mmのＴｉｐによる荷重をかけた場合の方が、ｚ軸方向の表面磁束密度は、荷重中心Ｐを中心として、荷重中心Ｐ付近では、より小さくなっている。すなわち、荷重平面４１ａにおいて荷重がかかる接触面積の大きさが大きい方が、荷重中心Ｐ付近でのｚ軸方向の表面磁束密度が小さくなっている。
【０１０２】
以上のように、測定点を２次元（ｘｙ平面）に拡大して測定した場合のｚ軸方向の表面磁束密度は、荷重により材料（応力磁界変換部４１）に発生する応力の方向と大きさ（ベクトル）だけでなく、さらに、荷重がかかる接触面積の大きさにも関係の深いものとなっていることがわかる。
【０１０３】
図１３は、磁束密度を３軸方向で検出するための３軸のホール素子の例を示している。
【０１０４】
図１３の例においては、磁束密度ベクトル（以下、単に磁束とも称する）Bdを、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の３軸方向に分解した磁束Bd(x)、磁束Bd(y)、磁束Bd(z)が示されている。ｘ軸の磁束Bd(x)を捉えるホール素子８１ｘ（以下、ｘ軸のホール素子８１ｘと称する）に、ホール電流Icを流したとき、ホール素子８１ｘは、垂直方向からの磁束Bd(x)を捉えて、電流方向及び磁界方向それぞれに垂直な方向にホール電圧Vh(x)を発生させる。すなわち、ホール素子８１ｘは、磁束Bd(x)を捉えて、ホール電圧Vh(x)に変換することができる。
【０１０５】
同様に、ｙ軸の磁束Bd(y)を捉えるホール素子８１ｙ（以下、ｙ軸のホール素子８１ｙと称する）に、ホール電流Icを流したとき、ホール素子８１ｙは、垂直方向からの磁束Bd(y)を捉えて、電流方向及び磁界方向それぞれに垂直な方向にホール電圧Vh(y)を発生させる。すなわち、ホール素子８１ｙは、磁束Bd(y)を捉えて、ホール電圧Vh(y)に変換することができる。ｚ軸の磁束Bd(z)を捉えるホール素子８１ｚ（以下、ｚ軸のホール素子８１ｚと称する）に、ホール電流Icを流したとき、ホール素子８１ｚは、垂直方向からの磁束Bd(z)を捉えて、電流方向及び磁界方向それぞれに垂直な方向にホール電圧Vh(z)を発生させる。すなわち、ホール素子８１ｚは、磁束Bd(z)を捉えて、ホール電圧Vh(z)に変換することができる。
【０１０６】
なお、以下、ホール素子８１ｘ，８１ｙ，および８１ｚを特に区別する必要のない場合、単にホール素子８１と称する。
【０１０７】
図１４は、ｚ軸方向にかけられるバイアス磁界Ｂに対する３軸のホール素子の回路基板６１上における配置例を示している。
【０１０８】
なお、図１４の例においては、ｘ軸のホール素子８１ｘ１および８１ｘ２、ｙ軸のホール素子８１ｙ１および８１ｙ２、並びに、ｚ軸のホール素子からなるホール素子群９１が示されている。すなわち、ホール素子群９１においては、ｘ軸とｙ軸について、それぞれ２つずつのホール素子８１ｘ１および８１ｘ２、並びにホール素子８１ｙ１および８１ｙ２が用いられている。
【０１０９】
ｚ軸のホール素子８１ｚは、捉えるｚ軸の磁束Bd(z)が、バイアス磁界Ｂがかけられる方向と略平行になるように配置される。すなわち、ｚ軸のホール素子８１ｚは、ｚ軸方向に掛けられるバイアス磁界Ｂに対して垂直に配置されている。ｘ軸のホール素子８１ｘ１および８１ｘ２は、差動（図１６の差動増幅部１４）で用いられるよう、ホール素子８１ｘ１および８１ｘ２の中心がｚ軸上に位置するように配置されている。ｙ軸のホール素子８１ｙ１および８１ｙ２も、差動で用いられるよう、ホール素子８１ｙ１および８１ｙ２の中心がｚ軸上に位置するように配置されている。
【０１１０】
なお、ホール素子群９１は、図１４に示されるように、単軸タイプのホール素子８１を５つで構成する以外に、５つのホール素子８１を１つの半導体の中にユニット化させたものを用いることもできるし、また、５つのうちのいくつかをユニット化させて、残りを単軸タイプのもので構成するなど複合タイプのものを用いることもできる。
【０１１１】
図１５は、図１のロボットハンドマニピュレータの内部の電気的な構成例を示している。
【０１１２】
図１５の例においては、ロボットハンドマニピュレータは、メイン制御部１０１、アクチュエータ１０２−１乃至１０２−ｎ、および複数のセンサ２１により構成されている。
【０１１３】
メイン制御部１０１は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ等を内蔵しており、CPUにおいて、メモリに記憶された制御プログラムが実行されることにより、各種の処理を行う。すなわち、メイン制御部１０１は、各センサ２１から物体の接触や把持状態の情報を受け、各センサ２１から物体の接触や把持状態の情報に基づき、センサ２１自体の柔らかさおよび表面の摩擦によるグリップ性などを利用して、アクチュエータ１０２−１乃至１０２−ｎのうちの必要なものを駆動させ、これにより、ロボットハンド１に、物体を把持させて、移動や運搬などを行わせる。
【０１１４】
アクチュエータ１０２−１乃至１０２−ｎは、それぞれ、ロボットハンド１の各関節部分（すなわち、肩間接部１１、肘間接部１３、手首部１５や、手部１６の指間接部）に配設されており、これにより、各関節部分は、所定の自由度を持って回転することができるようになっている。アクチュエータ１０２−１乃至１０２−ｎは、メイン制御部１０１からの駆動信号に従って駆動する。
【０１１５】
センサ２１は、センサ回路部１１１および信号処理部１１２により構成されている。センサ回路部１１１は、ｘ出力安定化回路１２１、ｙ出力安定化回路１２２、およびｚ出力安定化回路１２３で構成され、上述したホール素子群９１からの出力電圧を安定化し、それぞれの軸の最終出力電圧を、信号処理部１１２に出力する。
【０１１６】
ｘ出力安定化回路１２１は、ｘ軸のホール素子８１ｘ１および８１ｘ２からの出力電圧を差動し、増幅させることで、安定化されたｘ軸の最終出力電圧Vhxを発生し、ｘ軸の最終出力電圧Vhxを信号処理部１１２に出力する。ｙ出力安定化回路１２２は、ｙ軸のホール素子８１ｙ１および８１ｙ２からの出力電圧を差動し、増幅させることで、安定化されたｙ軸の最終出力電圧Vhyを発生し、ｙ軸の最終出力電圧Vhyを信号処理部１１２に出力する。ｚ出力安定化回路１２３は、ｚ軸のホール素子８１ｚからの出力電圧を増幅させることで、安定化されたｚ軸の最終出力電圧Vhzを発生し、ｚ軸の最終出力電圧Vhzを信号処理部１１２に出力する。
【０１１７】
信号処理部１１２は、センサ回路部１１１からの出力電圧から、把持物体との接触中心位置やそこに発生する圧力値などを求めることで、物体の静的状態や動的挙動などの把持状態の情報化を行って、把持状態を検出し、検出した把持状態の情報を、外部接続部３３を介して、メイン制御部１０１にリアルタイムに出力する。
【０１１８】
図１６は、ｘ出力安定化回路１２１の構成例を示すブロック図である。なお、ｙ出力安定化回路１２２も、図１６に示されるｘ出力安定化回路１２１の構成と基本的に同様に構成されるので、その説明および図示は繰り返しになるため省略する。
【０１１９】
図１６の例において、ｘ出力安定化回路１２１は、ホール素子８１ｘ１および８１ｘ２、差動増幅部１４１、並びにオフセット調整部１４２により構成されている。
【０１２０】
ホール素子８１ｘ１および８１ｘ２は、それぞれ、垂直方向からの磁束Bd(x)を捉えて、電流方向及び磁界方向に垂直な方向に出力電圧を発生させる。すなわち、ホール素子８１ｘ１からは、プラス出力電圧Vhx1+とマイナス出力電圧Vhx1-が出力され、ホール素子８１ｘ２からは、プラス出力電圧Vhx2+とマイナス出力電圧Vhx2-が出力されており、図１６の例においては、ホール素子８１ｘ１のマイナス出力と、ホール素子８１ｘ２のプラス出力とが回路的に繋げられている。これにより、ホール素子８１ｘ１と８１ｘ２は、１つのホール素子として構成されており、ホール素子８１ｘ１からのプラス出力電圧Vhx1+と、ホール素子８１ｘ２からのマイナス出力電圧Vhx2-のみが差動増幅部１４１に出力される。
【０１２１】
差動増幅部１４１は、ホール素子８１ｘ１および８１ｘ２からのプラス出力電圧Vhx1+と、マイナス出力電圧Vhx2-を差動し、オフセット調整部１４２により設定されたｘ軸の最終出力電圧Vhx（以下、Ｘ出力とも称する）の中点電圧に基づいて、それを増幅させることで、安定化されたｘ軸の最終出力電圧Vhxを発生し、Ｘ出力を信号処理部１１２に出力する。なお、差動増幅部１４１は、回路として構成することもできるし、演算により引き算する演算機として構成することもできる。
【０１２２】
オフセット調整部１４２は、例えば、初期出荷時に、差動増幅部１４１から出力されるＸ出力の中点電圧の値（初期のばらつき）を調整（設定）する。なお、オフセット調整部１４２は、センサ２１が複数のホール素子群９１で構成される場合には、他のホール素子群９１が対応するｘ出力安定化回路１２１の差動増幅部１４１から出力されるＸ出力の中点電圧の大きさを統一する調整を行ったり、または、経時変化によりずれてしまった差動増幅部１４１から出力されるＸ出力の中点電圧の値を調整することもできる。この経時変化の調整は、信号処理部１１２などにおける演算で行うようにしてもよい。
【０１２３】
なお、図１６の例においては、ホール素子８１ｘ１のマイナス出力と、ホール素子８１ｘ２のプラス出力とを回路的に繋げた例が示されているが、ホール素子８１ｘ１とホール素子８１ｘ２を回路的に繋げることなく、ホール素子８１ｘ１からのプラス出力電圧Vhx1+およびマイナス出力電圧Vhx1-と、ホール素子８１ｘ２からのプラス出力電圧Vhx2+およびマイナス出力電圧Vhx2-を出力し、差動増幅部１４１において差動させるように構成することもできる。
【０１２４】
図１７は、ｚ出力安定化回路１２３の構成例を示すブロック図である。図１７のｚ出力安定回路１２３は、２つのホール素子８１ｘ１および８１ｘ２が１つのホール素子８１ｚに入れ替わった点が、図１６のｘ出力安定化回路１２１と異なるだけであり、差動増幅部１４１およびオフセット調整部１４２を備える点は共通している。
【０１２５】
ホール素子８１ｚは、垂直方向からの磁束Bd(z)を捉えて、電流方向及び磁界方向に垂直な方向に、プラス出力電圧Vhz+とマイナス出力電圧Vhz-を発生させる。ホール素子８１ｚからのプラス出力電圧Vhz+とマイナス出力電圧Vhz-は、差動増幅部１４１に出力される。
【０１２６】
差動増幅部１４１およびオフセット調整部１４２は、図１６の例と同様に構成される。図１７の例においては、差動増幅部１４１は、ホール素子８１ｚからのプラス出力電圧Vhz+と、マイナス出力電圧Vhz-を差動し、オフセット調整部１４２により設定されたｚ軸の最終出力電圧Vhz（以下、Ｚ出力とも称する）の中点電圧に基づいて、それを増幅させることで、安定化されたｚ軸の最終出力電圧Vhzを発生し、Ｚ出力を信号処理部１１２に出力する。
【０１２７】
オフセット調整部１４２は、例えば、初期出荷時に、差動増幅部１４１から出力されるＺ出力の中点電圧の値を調整（設定）する。なお、オフセット調整部１４２は、センサ２１が複数のホール素子群９１で構成される場合には、他のホール素子群９１が対応するｚ出力安定化回路１２３の差動増幅部１４１から出力されるＺ出力の中点電圧の大きさを統一する調整を行ったり、または、経時変化によりずれてしまった差動増幅部１４１から出力されるＺ出力の中点電圧の大きさを調整する。
【０１２８】
次に、図１８を参照して、オフセット調整部１４２により設定される最終出力電圧の中点電圧について説明する。図１８の例においては、各ホール素子からの出力電圧［Ｖ］、荷重なしの場合の中点電圧、および、電圧有効範囲（図中点線内）が時間[ms]の経過に沿って示されている。なお、時刻Ｔまでは、荷重入力のないバイアス磁界のみの出力電圧が示されており、時刻Ｔ以降においては、荷重入力によるバイアス磁界が変化している場合の出力電圧が示されている。
【０１２９】
Ｘ，Ｙ出力電圧は、太い一点鎖線で示されるように、荷重前には、電圧有効範囲の略中央の値をとり、時刻Ｔ以降で荷重が掛かると、バイアス磁界が変化し、磁束密度ベクトルの方向が大きく反転することがある。このため、Ｘ，Ｙ出力の中点電圧は、一点鎖線で示されるように、有効範囲の略中央に設定される。
【０１３０】
一方、Ｚ出力電圧は、太い実線で示されるように、荷重前には、電圧有効範囲のどちらか片側（図１８の場合、下側）の値をとり、時刻Ｔ以降で荷重が掛かっても、荷重方向とセンサ形状、材料特性などにより磁束密度ベクトルが大きく反転することがない。このため、有効範囲を広く使う目的で、Ｚ出力の中点電圧は、電圧有効範囲のどちらか片側（図１８の例の場合、上側）に寄せるように設定される。ただし、わずかではあるが、荷重時に荷重物体付近で材料（応力磁界変換部４１）が膨らむような変形が起こるため、電圧有効範囲ちょうどに設定することなく、ある程度の余裕を加味して、Ｚ出力の中点電圧を設定する必要がある。
【０１３１】
次に、図１９のフローチャートを参照して、ロボットハンドマニピュレータの動作およびそれに伴う入力情報検出処理について説明する。なお、図１９の例においては、図１のロボットハンドマニピュレータの物体把持を例に説明する。
【０１３２】
メイン制御部１０１は、ステップＳ１１において、メモリに記憶された制御プログラム、または、後述するステップＳ１５において検出された各センサ２１から物体の接触や把持状態の情報に基づき、センサ２１自体の柔らかさおよび表面の摩擦によるグリップ性などを利用して、ロボットハンド１の各関節部などに設けられるアクチュエータ１０２−１乃至１０２−ｎのうちの必要なものを駆動させ、ロボットハンド１による所定の物体（例えばマグカップ）の把持動作を制御する。
【０１３３】
ステップＳ１２において、メイン制御部１０１からの把持動作の制御のもと、ロボットハンド１の対応するアクチュエータ１０２は、把持動作を行う。これにより、ロボットハンド１の各部に備えられているセンサ２１と、把持する物体との間に、抜荷重、接触、すべり、振動現象などが発生し、その物体の形状と応力により粘弾性磁石で構成される応力磁界変換部４１が変形を始めるので、応力磁界変換部４１に掛けられたバイアス磁界Ｂが変化する。なお、バイアス磁界Ｂによる粘弾性磁石内部の磁束密度Bdは、次の式（１）で表される。
【０１３４】
【数１】
2008039659.tif 000003
【０１３５】
ここで、Bdは、磁石内部の磁束密度[T]または[Wb/m^2] （m^2：mの２乗）を表し、Ｊは、磁気分極[T]を表し、μ０は、真空の透磁率[μH/m]または[Wb/m^2]を表し、Hdは、磁石内部の磁界の強さ[A/m]を表す。
【０１３６】
すなわち、図７を参照して上述したように、磁石内部の反磁界の変化により、磁石外部に発生する磁束も変化する。これに対応して、ステップＳ１３において、３軸のホール素子８１でなるホール素子群９１が、隣接する応力磁界変換部４１の表面から発生する磁束変化を検出し、磁電変換を行い、対応する差動増幅部１４１に電圧出力する。ホール素子群９１における磁電変換は、次の式（２）で表される。
【０１３７】
【数２】
2008039659.tif 000004
【０１３８】
ここで、Vh(x,y,z)は、各軸のホール電圧[V]を表し、Rhは、ホール素子の抵抗値[Ω]を表し、Icは電流値[A]を表し、Bd(x,y,z)は、各軸の磁束密度[T]を表し、ｄは、ホール素子の厚み[mm]を表す。
【０１３９】
ステップＳ１４において、差動増幅部１４１は、予め設定される各出力の中点電圧に基づいて、ホール素子８１からの出力電圧を最適安定化する。すなわち、差動増幅部１４１は、ホール素子８１からの出力電圧を差動し、バイアス磁界Ｂ下の中点電圧に基づいて、ゲイン調整などを行うことで、それを増幅させ、安定化された最終出力電圧を発生し、最終出力電圧を信号処理部１１２に出力する。
【０１４０】
ステップＳ１５において、信号処理部１１２は、ｘ，ｙ，ｚの３軸の最終出力電圧から、物体の把持状態を検出する。例えば、信号処理部１１２は、ｘ，ｙ，ｚの３軸の最終出力電圧から、把持する物体との接触中心位置や接触中心位置に発生する圧力値などを計算することで、把持状態を検出する。検出した把持状態の情報は、メイン制御部１０１にリアルタイムに出力される。
【０１４１】
ステップＳ１６において、メイン制御部１０１は、終了するか否かを判定し、終了しないと判定した場合、処理は、ステップＳ１１に戻り、それ以降の処理を繰り返す。すなわち、メイン制御部１０１は、ステップＳ１５において検出された把持状態の情報に基づいて、ロボットハンド１の動作を制御する。一方、ステップＳ１６において、終了すると判定された場合、図１９の物体把持処理は終了される。
【０１４２】
以上のように、物体からの情報を入力する入力部３１を、粘弾性磁石でなる応力磁界変換部４１で構成することで、把持する物体との間に発生した抜荷重、接触、すべり、振動現象などによる応力磁界変換部４１の変形に応じたバイアス磁界Ｂの変化を、磁束密度の大きさや方向の変化から、電圧の変化としてホール素子８１で検出するようにしたので、把持する物体との接触位置の情報などが正確に取得される。
【０１４３】
すなわち、把持する物体との間に発生した抜荷重、接触、すべり、振動現象などの状態が検出され、これにより、図１のロボットハンドマニピュレータにおいて、物体の落下などを抑制して、正確な任意物体把持や操りを行うことができる。
【０１４４】
次に、応力磁界変換部４１の変形に応じたバイアス磁界Ｂの変化、すなわちホール素子８１から出力される電圧の変化を用いて取得することのできる情報について説明する。
【０１４５】
まず、図２０および図２１を参照して、ホール素子８１から出力される電圧の変化を用いて、図１９のステップＳ１５における把持状態の検出時に算出（推定）される荷重圧力と深さについて説明する。
【０１４６】
図２０は、センサ２１の側断面図を示している。図２０の例においては、応力磁界変換部４１の下部において、１つのホール素子群９１が入力平面３１ａの中心位置となるように配置された回路基板６１（磁界検出部４２）が固定部３２に固定されており、そのホール素子群９１を原点としたＸＹＺ座標系のｘｙｚ軸のうち、ｘ軸（図中横方向）およびｚ軸（図中縦方向）が示されている。
【０１４７】
ここで、センサ２１上の任意の位置（図２０の例の場合、ホール素子群９１の真上(x=y=0）)を荷重中心Ｐとして、任意形状の物体が、接触面積Ｓで、荷重Ｆを加える。この場合のｚ軸のホール素子８１ｚからの最終出力電圧Vhzと、荷重時圧力値Ｆおよびホール素子群９１上の材料（応力磁界変換部４１）厚みｔの関係は、図２１に示されるように表される。
【０１４８】
図２１は、図２０の例の場合のｚ軸のホール素子８１ｚからの最終出力電圧Vhzと、荷重（圧力値）Ｆおよび材料厚みｔの関係を示している。図２１の例においては、横軸がｚ軸のホール素子８１ｚからの最終出力電圧Vhz[V]を表し、実線が荷重時圧力値Ｆ[N]を表し、点線が材料厚みｔ[mm]を表している。
【０１４９】
実線に示されるように、荷重時圧力値Ｆが増加すると、最終出力電圧Vhzは減少する。点線に示されるように、材料厚みｔが増加すると、最終出力電圧Vhzも増加する。
【０１５０】
以上のように、ｚ軸のホール素子８１ｚからの最終出力電圧Vhzが決まれば、荷重時圧力値Ｆと材料厚みtが一意に決まるので、ｚ軸のホール素子８１ｚからの最終出力電圧により、荷重時圧力や深さＴ（元の材料厚みｔ−荷重時材料厚みｔ）の推定が可能となり、これにより、把持状態を正確に検出することができる。
【０１５１】
なお、上記説明においては、荷重中心Ｐがホール素子群９１の真上になる（(x=y=0）である）場合を説明したが、荷重中心Ｐが他の位置であっても同様に、ｚ軸のホール素子８１ｚからの最終出力電圧Vhzが決まると、荷重時圧力値Ｆと材料厚みtが一意に決まる。
【０１５２】
この場合、この２つの値（荷重時圧力値Ｆと材料厚みt）は、ｘｙ平面において、磁束を検出するホール素子群９１の位置を中心とした、荷重中心Ｐの距離により異なる数式により推定されるが、荷重中心Ｐが、ホール素子群９１の位置を中心とした同心円上の位置にある場合には、略同じ計算結果となるはずである。
【０１５３】
また、この荷重中心Ｐのホール素子群９１の位置からの距離に伴う数式の切り替えは、図２２および図２３を参照して後述する荷重位置推定と組み合わせることや、ホール素子群９１による多点での荷重キャリブレーションにより可能となる。すなわち、多点での荷重キャリブレーションとは、予め、入力平面３１ａ上の複数の点について、各点（例えば、(x=1,y=0）など）に荷重がかけられたとき、どの数式を用いるかをキャリブレーションテーブルなどに記憶しておくことをいう。
【０１５４】
さらに、図２２および図２３を参照して、ホール素子８１から出力される電圧の変化を用いて、図１９のステップＳ１５における把持状態の検出時に算出（推定）される荷重位置について説明する。
【０１５５】
図２２は、センサ２１の側断面図を示している。図２２の例においては、入力平面（ｘｙ平面）３１ａの中心位置を原点としたＸＹＺ座標系のｘｙｚ軸のうち、ｘ軸（図中横方向）およびｚ軸（図中縦方向）が示されている。応力磁界変換部４１の下部には、原点の真下にホール素子群９１が回路基板６１に配置されるように構成された磁界検出部４２が固定部３２に固定されている。
【０１５６】
入力平面３１ａ（ｘ軸）上には、図中左から、荷重位置ｄ'，ｃ'，ｂ'，ａ，ｂ，ｃ，およびｄが、入力平面３１ａのｘ軸上における任意形状の物体の荷重中心Ｐとする位置として示されており、図２２の例の場合、荷重位置ａを荷重中心Ｐとした任意形状の物体の荷重により、応力磁界変換部４１は、荷重位置ａにおいて深さＴだけ押し込まれている。
【０１５７】
荷重位置ａは、ｘ軸上のほぼ中央位置（すなわちホール素子群９１の真上）に位置し、荷重位置ａからある距離Ｄだけ離れたｘ軸上の左右対称の位置に、それぞれ、荷重位置ｂ'およびｂが位置している。さらに、荷重位置ｃ'およびｃは、荷重位置ａから距離Ｄの２倍だけ離れたｘ軸上の左右対称の位置にそれぞれ位置し、荷重位置ｄ'およびｄは、荷重位置ａから距離Ｄの３倍だけ離れたｘ軸上の左右対称の位置にそれぞれ位置している。
【０１５８】
ここで、例えば、任意の深さＴだけ入力部３１を押し込むような荷重をかけながら、荷重中心Ｐとする位置を、荷重位置ｄ'から、荷重位置ｄまで移動させる。これに対応して、ｘ軸の最終出力電圧Vhxとｚ軸の最終出力電圧Vhzの関係は、図２３に示されるようになる。
【０１５９】
図２３の例においては、横軸がｘ軸上の荷重位置ｄ'，ｃ'，ｂ'，ａ，ｂ，ｃ，ｄ[mm]を表しており、太い破線が、荷重中心Ｐとする位置が各荷重位置に移動した場合のｚ軸の最終出力電圧Vhz[V]を表し、破線がｚ軸の中点電圧[V]を表し、太い一点鎖線がｘ軸の最終出力電圧Vhx[V]を表し、一点鎖線がｘ軸の中点電圧[V]を表している。      
【０１６０】
ホール素子群９１を構成するｚ軸のホール素子８１ｚは、入力平面３１ａに対しての垂直方向（ｚ軸に対しての平行方向）からの磁束Bd(z)を検出し、ｚ軸の最終出力電圧Vhzを出力する。したがって、ｚ軸の最終出力電圧Vhzは、荷重中心Ｐとする位置が、ホール素子群９１から一番離れた荷重位置ｄ'から、荷重位置ｂ'の少し手間の位置に移動するまで、中点電圧と同じ値から、バルジング現象の影響により、少しずつ大きくなり、荷重位置ｂ'の少し手間の位置から、荷重位置ａに移動するまで、荷重位置ｂ'のときに中点電圧と同じ値となるのを経由して、少しずつ値が小さくなる。そして、ｚ軸の最終出力電圧Vhzは、ホール素子群９１の真下に位置する荷重位置ａを荷重中心Ｐとして、任意の深さＴだけ押し込むように荷重がかけられると、最小の値となる。
【０１６１】
また、ｚ軸の最終出力電圧Vhzは、荷重中心Ｐとする位置が、荷重位置ａから、荷重位置ｂを少し過ぎた位置に移動するまで、荷重位置ｂ'のときに中点電圧と同じ値となるのを経由して、少しずつ値が大きくなり、荷重位置ｂを少し過ぎた位置以降（ホール素子群９１から一番離れた荷重位置ｄを含む）は、バルジング現象の影響により中点電圧より少し大きくなった値が、だんだん中点電圧に近づくよう少しずつ小さくなる。
【０１６２】
以上のように、荷重中心Ｐとする位置を、荷重位置ｄ'乃至ｄまで移動させた場合、ｚ軸の最終出力電圧Vhzは、ホール素子群９１の真上（入力平面３１ａ）の位置（荷重位置ａ）に対して左右対称（線対称）の値をとることがわかる。
【０１６３】
一方、ホール素子群９１を構成するｘ軸のホール素子８１ｘは、ｚ軸に対しての垂直方向（入力平面３１ａに対しての平行方向）からの磁束Bd(x)を検出し、ｘ軸の最終出力電圧Vhxを出力する。したがって、ｘ軸の最終出力電圧Vhxは、荷重中心Ｐとする位置が、ホール素子群９１から一番離れた荷重位置ｄ'から、荷重位置ｃ'とｂ'の略中間位置に移動するまで、少しずつ値が小さくなり、荷重位置ｃ'とｂ'の略中間位置を荷重中心Ｐとして、任意の深さＴだけ押し込むように荷重がかけられると、最小の値となる。
【０１６４】
また、ｘ軸の最終出力電圧Vhxは、荷重中心Ｐとする位置が、荷重位置ｃ'とｂ'の略中間位置から、荷重位置ｂとｃの略中間位置に移動するまで、荷重位置ａのときに中点電圧を同じ値となるのを経由して、少しずつ値が大きくなり、荷重位置ｂとｃの略中間位置を荷重中心Ｐとして、任意の深さＴだけ押し込むように荷重がかけられると、最大の値となる。
【０１６５】
さらに、ｘ軸の最終出力電圧Vhxは、荷重中心Ｐとする位置が、荷重位置ｂとｃの略中間位置から、荷重位置ｄに移動するまで、少しずつ値が小さくなる。
【０１６６】
以上のように、荷重位置ｄ'乃至ｄまで移動させた場合、ｘ軸の最終出力電圧Vhxは、ホール素子群９１の真上（入力平面３１ａ）の位置（荷重位置ａ）に対して点対称の値をとることがわかる。
【０１６７】
以上の結果、例えば、ｘ軸の最終出力電圧Vhx(ｂ',0,Ｔ)とｚ軸の最終出力電圧Vhz(ｂ',0,Ｔ)により、ｘ軸上の荷重位置ｂ'(ｂ',0,Ｔ)が一意に決まる。このことは、ｙ軸についても同様である。すなわち、図示は省略するが、ｙ軸の最終出力電圧Vhyは、図２３におけるＸ軸の中点電圧に対して、ｘ軸の最終出力電圧Vhxと略対称のグラフとなる。したがって、これらのｘ軸の最終出力電圧Vhxと、ｙ軸の最終出力電圧Vhyの組み合わせと、ｚ軸の最終出力電圧Vhz、さらに、上述したホール素子群９１による多点での荷重キャリブレーションを用いることで、センサ２１の入力平面（ｘｙ平面）３１ａ全体での荷重位置の推定が可能になる。
【０１６８】
図２４および図２５は、センサ２１への荷重からの荷重位置の推定の流れを説明する図である。すなわち、図２５の例においては、図２４に示されるセンサ２１への荷重からの荷重位置の推定の流れが示されている。
【０１６９】
図２４の例においては、入力部３１、固定部３２、および外部接続部３３により構成されるセンサ２１が、入力部３１の入力平面（ｘｙ平面）３１ａの略中央位置を原点(0,0,0)としたＸＹＺ座標系で示されている。
【０１７０】
入力部３１は、厚さｔで、バイアス磁界による磁束密度Ｂdを有する粘弾性磁石（応力磁界変換部４１）で構成されており、その内部には、磁界検出部４２を構成する、ｘ軸のホール素子８１ｘ１および８１ｘ２、ｙ軸のホール素子８１ｙ１および８１ｙ２、並びにｚ軸のホール素子８１ｚからなるホール素子群９１が、原点の真下の位置に配置されている。
【０１７１】
また、入力部３１は、図２５に示されるように、バイアス磁界による磁束密度Ｂd、粘弾性磁石の厚みｔ、任意物体による接触面積Ｓ'、バネ定数（弾性係数）Ｇ、および粘性係数ηなどの条件や材料特性を有している。
【０１７２】
このように構成される入力部３１に、図２５に示される任意物体による抜荷重、接触、すべり、および振動現象などにより、荷重中心Ｐ(x,y,z)として、任意物体による接触面積Ｓ'での荷重Ｆが掛けられる。これにより、粘弾性磁石で構成される入力部３１が変形し、バイアス磁界による磁束密度も変化する。このとき、ホール素子群９１を構成する各軸のホール素子８１は、その磁束密度から、電圧を出力する。これらをそれぞれ安定化させた最終出力電圧Vhx,Vhy,Vhzは、信号処理部１１２にそれぞれ出力される。
【０１７３】
信号処理部１１２は、図２１を参照して上述した多点での荷重キャリブレーション用のキャリブレーションテーブル１６１を予め記憶している。信号処理部１１２は、ｘ，ｙ，ｚの３軸の最終出力電圧を用い、必要に応じて、キャリブレーションテーブル１６１を参照することで、把持する物体との接触中心位置（すなわち、荷重中心）Ｐ(x,y,z)や接触中心位置に発生する圧力値（すなわち、荷重）Ｆなどを推定し、入力部３１が有するバイアス磁界による磁束密度Ｂd、粘弾性磁石の厚みｔ、任意物体による接触面積Ｓ'、バネ定数（弾性係数）Ｇ、および粘性係数ηなどの条件や材料特性などを参照して、物体の静的状態や動的挙動などを物体の把持状態として求めることができる。
【０１７４】
さらに、これらの接触中心位置Ｐ(x,y,z)および圧力値Ｆなどを、物体の把持状態の情報として、メイン制御部１０１に出力することで、メイン制御部１０１は、物体の把持状態（すなわち、入力部３１に対しての任意物体による抜荷重、接触、すべり、および振動現象など）を知ることができるので、入力部３１に対しての任意物体による抜荷重、接触、すべり、および振動現象などを制御することができる。そして、この制御により、次の入力部３１に対する荷重中心Ｐ(x,y,z)や荷重Ｆが調整される。
【０１７５】
図２６は、図２のセンサの他の外観の構成例を示している。図２６の例においては、図中上には、入力部３１の形状が異なるセンサ２０１乃至２０４を真上から見た上面図が示されており、図中下には、センサ２０１乃至２０４を側面から見た断面図が示されている。なお、入力部３１と固定部３２の間には、磁界検出部４２の回路基板６１が示されている。
【０１７６】
センサ２０１は、真上から見ると入力平面３１ａが円形で、側面から見ると四角の形状である円柱型の入力部３１で構成されている。センサ２０２は、真上から見ると入力平面３１ａが円形で、側面から見るとドーム形状であるドーム型の入力部３１で構成されている。センサ２０３は、真上から見ると入力平面３１ａが四角形で、側面から見るとかまぼこ形状であるかまぼこ型の入力部３１で構成されている。例えば、センサ２０３においては、回路基板６１としてフレキシブル基板などが用いられる。
【０１７７】
センサ２０４は、真上から見ると入力平面３１ａがドーナツ形状で、側面から見ると、固定部３２を挟むように固定部３２の上下に入力部３１が構成される四角の形状である円柱型の入力部３１で構成されている。なお、センサ２０４におけるドーナツの穴（空洞）部分には、点線に示されるように軸を設けることができる。
【０１７８】
以上、センサ２０１やセンサ２０２ように、入力部３１の形状を入力平面３１ａが円形となるように形成することで、図２の四角柱型のセンサ２１の場合に、その平面の角と端などで生じていた磁束のむらなどを抑制することができる。
【０１７９】
また、側面から見た場合の入力部３１の形状を、センサ２０２やセンサ２０３のように、ドーム形状やかまぼこ形状にすることで、図２の四角柱型のセンサ２の場合に生じていた入力平面３１ａにおいて略中央部分の磁界が落ち込むことを抑制することができる。また、センサ２０２やセンサ２０３などのドーム型やかまぼこ型は、物体に接触させる際に、平面のものを平面で接触させると生じやすい検出の誤差を抑制することができるため、ものに接触する場合、例えば、ロボットハンド１に設けられる場合などに適している。
【０１８０】
さらに、入力部３１の形状をセンサ２０４のようにドーナツ型にすることで、ドーナツ部分に軸を通すことができるとともに、入力部３１の上下からの磁束密度を検出することができる。これは、例えば、ロボットハンド１などの各関節部などに設けられる場合に適している。
【０１８１】
図２７は、図６の入力部の材料の他の例を示している。図２７の例においては、磁気漏洩と侵入を防止するためのシールドを付加したセンサ２１１および２１２を側面から見た側断面図が示されている。
【０１８２】
センサ２１１は、固定部３２が、シールド機能を有する固定部２２２に入れ替わった点と、応力磁界変換部４１が、粘弾性磁石６３およびシリコンゴム６４に加えて、シールド機能を有する粘弾性材料２２１で構成されている点が、図６のセンサ２１と異なっており、ホール素子群９１が配置され、磁界検出部４２が、樹脂６２によりモールドされた回路基板６１で構成されている点は共通している。
【０１８３】
センサ２１１の応力磁界変換部４１は、粘弾性磁石６３の底面を除く他の面（すなわち、上面および側面）に、シールド機能を有する粘弾性材料２２１が一体化され、さらに、その表面に、薄膜のシリコンゴム６４が一体化されて形成されている。
【０１８４】
すなわち、センサ２１１においては、磁界検出部４２は、粘弾性磁石６３の上の粘弾性材料２２１と回路基板６１の下の固定部２２２との上下から、シールドされている。これにより、センサ２１１の性能の低下を抑制することができる。
【０１８５】
センサ２１２は、固定部３２が、シールド機能を有する固定部２３２に入れ替わった点と、磁界検出部４２のホール素子群９１が配置された回路基板６１が、応力磁界変換部４１の粘弾性磁石６３と一緒に、シールド機能を有する粘弾性材料２３１とモールドにより一体化され、その表面に薄膜のシリコンゴム６４が一体化されて形成されている点が異なる。
【０１８６】
すなわち、センサ２１２においては、センサ２１１の樹脂６２が、シールド機能を有する粘弾性材料２３１に入れ替わった点が、センサ２１１と異なる構成である。これにより、粘弾性磁石６３と回路基板６１の間においても磁気漏洩と侵入を防止することができ、センサ２１２の性能の低下をより抑制することができる。
【０１８７】
図２８は、センサの固定部の例を示している。図２８の例においては、固定部３２の形状が異なるセンサ２４１乃至２４３を側面から見た側断面図が示されている。
【０１８８】
センサ２４１は、図３のセンサ２１と同様に構成される。すなわち、センサ２４１においては、固定部３２が、設置面２５１上の一番下に構成され、固定部３２の上に、ホール素子群９１が配置された回路基板６１からなる磁界検出部４２と、磁界検出部４２の上に配置される応力磁界変換部４１で構成される入力部３１が固定されている。
【０１８９】
したがって、固定部３２は、入力部３１に矢印方向の荷重Ｆがかけられると、回路基板６１の下で、変形する材料からなる入力部３１を支える。なお、この場合、ホール素子群９１が配置された回路基板６１上は、上述した樹脂６２などでモールドして構成することもできるし、モールドしない構成もできる。
【０１９０】
センサ２４２は、ホール素子群９１が配置された回路基板６１からなる磁界検出部４２が固定された固定部３２が、ホール素子群９１を下向きにして設置面２５１上に配置されており、その固定部３２の上に、応力磁界変換部４１が固定されている。固定部３２は、回路基板６１が設置面２５１にぶつからないように、周囲部分２５２のみが高く構成されている。
【０１９１】
すなわち、センサ２４２においては、入力部３１の応力磁界変換部４１と、磁界検出部４２の間に、固定部３２が設けられることになる。この場合、入力部３１に矢印方向の荷重Ｆがかけられると、固定部３２が応力磁界変換部４１の変形を支えるので、ホール素子群９１には、応力磁界変換部４１の変形の物理的影響が殆どかからない。
【０１９２】
センサ２４３は、固定部３２の周囲に凸部２６１が形成されている点が、センサ２４１と異なっている。すなわち、センサ２４３は、設置面２５１がない場合に構成される形状の固定部３２で構成されており、センサ２４３の下には、設置面２５１がないことから、固定部３２の周囲に形成された凸部２６１を、センサ２４３の近傍に設けられている設置部２６２Ｌおよび２６２Ｒに引っ掛けることで、矢印方向の荷重Ｆによる応力磁界変換部４１の変形を支えている。
【０１９３】
図２９は、磁界検出部４２を構成する回路基板６１に配置されるホール素子群９１の例を示している。
【０１９４】
上述した図２０の例の場合、回路基板６１には、ホール素子群９１が１つしか示されていないが、図２９に示されるように、複数個のホール素子群９１を配置することができる。なお、以下、複数個のホール素子群９１を、センサマトリクスとも称する。
【０１９５】
図２９の例においては、複数個のホール素子群９１で構成されるセンサマトリクス２６１乃至２６４の上から見た回路基板６１上における配置例が示されている。
【０１９６】
センサマトリクス２６１は、９個のホール素子群９１−１乃至９１−９が、順に、縦（ｙ軸方向）に３列、横（ｘ軸方向）に３段並んで配置されている。ホール素子群９１−１乃至９１−９は、図３０に示されるように、かつ、図１４の場合と同様に、ｘ軸のホール素子８１ｘ１および８１ｘ２、ｙ軸のホール素子８１ｙ１および８１ｙ２、ｚ軸のホール素子８１ｚにより構成されている。
【０１９７】
センサマトリクス２６２は、４個のホール素子群９１−１乃至９１−４が、順に、縦（ｙ軸方向）に２列、横（ｘ軸方向）に２段並んで配置されている。センサマトリクス２６３は、５個のホール素子群９１−１乃至９１−５が交差型（十字型）に配置されている。すなわち、図中上から１段目には、ホール素子群９１−１が配置され、２段目には、ホール素子群９１−１とホール素子群９１−３が縦に一列に並ぶように、３つのホール素子群９１−２乃至９１−４が配置され、３段目には、ホール素子群９１−１および９１−３と縦に一列に並ぶように、ホール素子群９１−５が配置されている。
【０１９８】
センサマトリクス２６４は、４個のホール素子群９１−１乃至９１−４が縦に１列に並んで直線型に配置されている。
【０１９９】
以上のように、入力部３１の入力平面３１ａの大きさや形状に応じて、複数個のホール素子群９１を回路基板６１に配置して磁界検出部４２を構成することができる。これにより、どのような入力平面３１ａであっても検出精度が低下されることを抑制することができる。
【０２００】
なお、上記説明においては、３軸のホール素子８１で構成されるホール素子群９１により、圧力または押し込み深さと入力平面上の位置の推定が可能な場合を説明したが、それ以外に、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸のうちの２軸（ｚ軸が含まれることが望ましい）のホール素子８１で構成されるようにすることもできる。この場合にも、３軸の場合と同様の効果がある。すなわち、物体の把持状態として、把持する物体との接触中心位置や接触中心位置に発生する圧力値（圧力や押し込み深さ）などを推定することができる。ただし、３軸の場合には、入力平面上における位置推定が可能であるが、２軸の場合には、位置推定可能であるのが、ｙ軸またはｘ軸上どちらかに限られる。
【０２０１】
また、ホール素子群９１は、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸のうちのいずれか１軸（ｚ軸が望ましい）のホール素子８１で構成することも可能である。ただし、１軸の場合には、２軸や３軸の場合と異なり、荷重位置の推定は困難であるが、圧力または押し込み深さの推定を行うことができる。
【０２０２】
さらに、ホール素子群９１は、上述した１乃至３軸に限らず、４軸以上のホール素子８１で構成することも可能である。
【０２０３】
以上のように、センサ２１における物体からの情報を入力する入力部を、粘弾性磁石で構成し、粘弾性磁石の変形に応じたバイアス磁界Ｂの変化を、磁束密度の大きさや方向の変化から、電圧の変化としてホール素子で検出するようにしたので、把持する物体との接触位置や、圧力または押し込み深さの情報などが正確に取得することができる。これにより、さらに、把持する物体との間に発生した抜荷重、接触、すべり、振動現象などの状態が検出されるので、例えば、ロボットハンドマニピュレータにおける任意物体把持や操りにおいて、物体の落下（すべり落し）などを抑制して、正確な任意物体把持や操りを行うことができるとともに、人間に対する安全性を向上させることができる。
【０２０４】
さらには、入力部（粘弾性磁石）の柔軟な素材から、人とより親和性の高い物理的インタラクション（相互作用）をとることが可能である。
【０２０５】
このように、人と親和性の高いやわらかさとすべり性を有する材料を入力部として用いることで、実世界機械や仮想空間への入力装置として多彩な機能を発揮することができる。例えば、力や圧力による表現だけではなく、材料自身の横ずれやすべり（スティックスリップ現象）を表現できるので、より多彩な入力手段（すなわち、表現）を有する新感覚のインタフェースを構成することができる。
【０２０６】
また、センサ２１は、上述したように、粘弾性磁石、検出のための回路基板、および固定部からの３要素から構成される簡単な構造である。粘弾性磁石は、シリコンゲルのような材料をバインダとすることで、小さな力でも大きく変形する特徴を持つが、これは、一般的なゴム磁石の成形方法で製作することが可能であり、安価であり、取り扱いも簡単なものである。さらに、磁束密度ベクトルの変化を検出する素子は、一般的なホール素子を複数組み合わせ、バイアス磁界を掛けられた粘弾性磁石に対して適切な位置に配置することで実現が可能であり、いずれも安価で簡単に実現することができる。
【０２０７】
以上により、本発明を適用したセンサによれば、ロボットハンドマニピュレータにおける正確な任意物体把持や操りを容易に行ったり、人とより親和性の高い物理的インタラクション（相互作用）を容易にとることが可能である。
【０２０８】
なお、上記説明においては、センサ２１がロボットハンドマニピュレータの腕や手などに設けられる場合を説明したが、本発明は、各種ロボットの間接機構部、ゲームのコントローラやジョイスティック、様々な入力装置、衝撃吸収装置、生態計測装置、ヘルスケア商品、スポーツ分野などの分野や製品などにも適用することができる。
【０２０９】
上述した一連の処理は、ハードウエアにより実行させることもできるし、ソフトウエアにより実行させることもできる。
【０２１０】
一連の処理をソフトウエアにより実行させる場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに、プログラム記録媒体からインストールされる。
【０２１１】
図３１は、上述した一連の処理をプログラムにより実行するパーソナルコンピュータ３０１の構成の例を示すブロック図である。CPU（Central Processing Unit）３１１は、ROM（Read Only Memory）３１２、または記憶部３１８に記憶されているプログラムに従って各種の処理を実行する。RAM（Random Access Memory）３１３には、CPU３１１が実行するプログラムやデータなどが適宜記憶される。これらのCPU３１１、ROM３１２、およびRAM３１３は、バス３１４により相互に接続されている。
【０２１２】
CPU３１１にはまた、バス３１４を介して入出力インタフェース３１５が接続されている。入出力インタフェース３１５には、上述したセンサ２１、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる入力部３１６、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部３１７が接続されている。CPU３１１は、入力部３１６から入力される指令に対応して各種の処理を実行する。そして、CPU３１１は、処理の結果を出力部３１７に出力する。
【０２１３】
入出力インタフェース３１５に接続されている記憶部３１８は、例えばハードディスクからなり、CPU３１１が実行するプログラムや各種のデータを記憶する。通信部３１９は、インターネットやローカルエリアネットワークなどのネットワークを介して外部の装置と通信する。
【０２１４】
また、通信部３１９を介してプログラムを取得し、記憶部３１８に記憶してもよい。
【０２１５】
入出力インタフェース３１５に接続されているドライブ３２０は、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア３２１が装着されたとき、それらを駆動し、そこに記録されているプログラムやデータなどを取得する。取得されたプログラムやデータは、必要に応じて記憶部３１８に転送され、記憶される。
【０２１６】
コンピュータにインストールされ、コンピュータによって実行可能な状態とされるプログラムを格納するプログラム記録媒体は、図３１に示すように、磁気ディスク（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disc)を含む）、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリなどよりなるパッケージメディアであるリムーバブルメディア３２１、または、プログラムが一時的もしくは永続的に格納されるROM３１２や、記憶部３１８を構成するハードディスクなどにより構成される。プログラム記録媒体へのプログラムの格納は、必要に応じてルータ、モデムなどのインタフェースである通信部３１９を介して、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の通信媒体を利用して行われる。
【０２１７】
なお、本明細書において、プログラム記録媒体に格納されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【０２１８】
【図１】本発明を適用したロボットハンドマニピュレータの外観の構成例を示す図である。
【図２】図１のセンサの外観の構成例を示す斜視図である。
【図３】図２のセンサの内部の構成例を示す図である。
【図４】荷重前と荷重後の入力部の形状を説明する図である。
【図５】粘弾性材料の圧縮および引張特性の例を示す図である。
【図６】入力部を構成する材料を説明する図である。
【図７】荷重前と荷重後の応力磁界変換部にかかるバイアス磁界の例を示す図である。
【図８】ｘ軸上の各測定点における表面磁束密度を説明する図である。
【図９】ｘ軸上の各測定点における表面磁束密度を説明する図である。
【図１０】ｘｙ平面上の各測定点における表面磁束密度の計測について説明する図である。
【図１１】ｘｙ平面上の各測定点における表面磁束密度のグラフを示す図である。
【図１２】ｘｙ平面上３軸の各測定点における表面磁束密度のグラフの他の例を示す図である。
【図１３】磁束密度を３軸方向で検出するための３軸のホール素子の例を示す図である。
【図１４】バイアス磁界に対する３軸のホール素子の回路基板における配置例を示す図である。
【図１５】ロボットハンドマニピュレータの内部の電気的な構成例を示すブロック図である。
【図１６】図１５のｘ出力安定化回路の構成例を示すブロック図である。
【図１７】図１５のｚ出力安定化回路の構成例を示すブロック図である。
【図１８】最終出力電圧の中点電圧について説明する図である。
【図１９】図１のロボットハンドマニピュレータの動作を説明するフローチャートである。
【図２０】電圧の変化を用いて計算される荷重圧力と深さについて説明する図である。
【図２１】電圧の変化を用いて計算される荷重圧力と深さについて説明する図である。
【図２２】電圧の変化を用いて計算される荷重位置について説明する図である。
【図２３】電圧の変化を用いて計算される荷重位置について説明する図である。
【図２４】センサへの荷重からの荷重位置の推定の流れを説明する図である。
【図２５】センサへの荷重からの荷重位置の推定の流れを説明する図である。
【図２６】図２のセンサの他の外観の構成例を示す図である。
【図２７】図６の入力部の材料の他の例を示す図である。
【図２８】センサの固定部の例を示す図である。
【図２９】複数個のホール素子群の配置例を示す図である。
【図３０】図２９のホール素子群の構成例を示す図である。
【図３１】本発明を適用したパーソナルコンピュータの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０２１９】
１  ロボットハンド，  ２１，２１−１乃至２１−１４  センサ，  ３１  入力部，  ３２  固定部，  ３３  外部接続部，  ４１  応力磁界変換部，  ４２  磁界検出部，  ６１  回路基板，  ６３  粘弾性磁石，６４  シリコンゴム，  ８１，８１ｘ乃至８１ｚ  ホール素子，９１  ホール素子群，  １０１  メイン制御部，  １０２−１乃至１０２−ｎ  アクチュエータ，  １１２  信号処理部，  １２１  Ｘ出力安定化回路，  １２２  Ｙ出力安定化回路，  １２３  Ｚ出力安定化回路，  １４１  差動増幅部，  １４２  オフセット調整部
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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