(57)【要約】【課題】触覚センサ素子を提供する。【解決手段】内外表面が球面である球殻の構造を持ち、その球殻の外面が対象物と接触した際にその内面に取り付けた歪みゲージによって異なる３ヶ所の変形を計測する触覚センサであって、対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出する少なくとも３個の検出素子を有し、かつこれらの検出素子の測定信号である球面変形信号を利用して曲面の中央が接触中心となるように調整する軸心調整機能を有することを特徴とする触覚センサ、対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出し、接触中心と検出素子との相対位置を調整する軸心調整機能を有する上記触覚センサ。【効果】触覚センサの接触位置と検出素子との関係を常に最適化することが可能である。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内外表面が球面である球殻の構造を持ち、その球殻の外面が対象物と接触した際にその内面に取り付けた歪みゲージによって異なる３ヶ所の変形を計測する触覚センサであって、対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出する少なくとも３個の検出素子を有し、かつこれらの検出素子の測定信号である球面変形信号を利用して曲面の中央が接触中心となるように調整する軸心調整機能を有することを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出し、接触中心と検出素子との相対位置を調整する軸心調整機能を有する請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項３】
検出素子１の出力信号ε１と、検出素子２と検出素子３の出力信号ε２とε３とが、ε３／ε２＝１の条件を満たし、ε２／ε１が極小値となるように接触中心と検出素子との相対位置を調整する請求項２に記載の触覚センサ。
【請求項４】
対象物と接触することによって球面あるいは非球面もしくは非平面からなる曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を異なる２点の歪みあるいは応力値から検出する検出素子を有する請求項１に記載の触覚センサ
【請求項５】
電気的、光学的、磁気的又は音響的手段を用いて計測された異なる２点の歪みの差分の変化率から被接触物質の変形抵抗性を検出し、接触対象物の硬さ、柔らかさに関する特徴を決定する請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項６】
既知物質で構成されたセンサを用い、センサの変形を定量的に計測することによって接触材の材質を認知する機能を付与した請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項７】
弾性体曲面の球殻構造体の内部に歪みゲージを配置した請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項８】
弾性体曲面に少なくとも３個の歪みゲージを配置した信号処理手段と、該信号を処理して歪み差分変化率を演算する信号処理手段を有する請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項９】
信号処理手段が、歪み変換増幅器、解析値記憶手段、解析値演算手段を有する請求項８に記載の触覚センサ。
【請求項１０】
中心位置及び非中心位置の歪みを検出する歪みゲージ、歪み差分の変化率から対象物の硬さを算出する手段、実験的に得られた数値との対比により接触材の材質を認知する手段を有する請求項１に記載の触覚センサ。
【請求項１１】
解析値演算手段により算出されたデータを既存のデータと比較して知覚データ化処理することにより、未知物質の硬さ、柔らかさ等の変形抵抗性を知覚する機能を有する請求項９に記載の触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人の触覚を代替し、触覚情報を定量的に計測できるセンサに関するものであり、更に詳しくは、球面あるいは非球面もしくは非平面からなる曲面と対象物との接触角度を異なる３点の歪みあるいは応力値を用いて調整すると同時に、接触によって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を推定することを可能とする高精度な感触センシング能力を発揮する新しいタイプの触覚センサであって、物質・物体の変形抵抗性である硬さ柔らかさをリアルタイムに検出する方法を用いる検出機構に関するものである。本発明は、例えば、人協調型ロボットや義手・義指・義肢、診察用の触診器、各種工業の硬さ柔らかさ検査器、更には、医療分野における低侵襲手術やバイオ分野における細胞操作において、マニピュレータなどの対象物と接触する部分に配置される、物体との接触の瞬間に材質を知覚する機能を有し、しかも構造が簡単な新規触覚センサを提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
人の指先には、温度検出、把持能力や触覚能力など複数の機能が備わっている。特に、接触感覚は優れた能力を有している。視覚では捉えることの出来ない物体表面の数ミクロンの段差を識別する能力は、人の指先の感覚が持っている高い分解能を理解する好例である。また、人は、物体が何で出来ているかを認識する際には、視覚による情報に加えて、手で直接触れることによって得られる情報、すなわち、重さ、硬さ柔らかさ、表面の滑らかさ（表面粗さ）などの感触が大切な役割を果たしている。
【０００３】
種々の製造業において、加工品や成型品、製造物などの良・不良を人が本質的に持っている高精度な感触センシング能力により判定している。このような、製品検査作業を、ロボット等の自動化された非破壊検査に置き換えて効率化を図るために、機械的感触センサが食品工業や製造業など幅広い業種において必要とされている。
【０００４】
一方、ロボットや義手などの機械に触覚機能を与えるために、種々の機能センサが開発されてきた。これまでに実用化された主なものは、つかんだことを圧力として感じる機能とこれをさらに応用させたグリップ機能である。グリップ機能とは物体を壊したり潰したり、あるいは、落下させることなく把持する機能である。工作部品などの既知の物質から成る重量物の移動や運搬を人に代わって行うことを目的としている工業用ロボットにおいて、もっとも重要な機能である。
【０００５】
しかしながら、医療分野における低侵襲手術やバイオ分野における細胞操作に用いるマニピュレータなどの対象物と接触する部分や、介護・防犯用などの人協調型ロボットの指先には、物体を把持するためのグリップ機能だけでなく、人の指先と同様に触覚情報の計測をリアルタイムで行い、物体の材質など定性的分析が可能なセンシング機能を兼ね備えることが必要である。物体との接触によって材質が瞬時に特定できれば、グリップ機能を補完できるだけでなく、人に近い知能の獲得と形成の効果が生まれる。  
【０００６】
物体の特徴を検知し、認識するために、接触手段を用いるセンサとしては、以下のものが開発されてきた。すなわち、より単純な方法としては、ロボットの指の側面に添付した歪みゲージの出力信号を利用するものがある。その原理としては、梁のたわみと力の関係に基づくものであり、そこから得られるのは接触荷重のみの情報であって、知能の形成や獲得に十分有効な触覚センサではない。
【０００７】
対物接触振動子を組み込んだセンサと対象物とを接触させた際、対象物の材質に応じて振動子の発振周波数が変化することを利用して接触物質の硬さを検出する方法がある（特許文献１〜５）。これらは、接触物質の硬さを接触によって検出する方法であるが、しかしながら、その原理は、本発明の原理とは全く異なるものである。
【０００８】
接触と光学的検出法を組み合わせた方法として、押し込み方向に柔軟性を持たせた触覚センサの変形を内側に設置したカメラでとらえて接触物体の形状を認識するもの（特許文献６）、弾性変形するウィスカを用い形状を検知するもの（特許文献７）がある。しかし、これらの方法は、接触物体の３次元的特徴を検知する触覚センサであり、対象物の硬さ、柔らかさに関する情報を検出するものではない。
【０００９】
更に、音響的検出法として、弾性体の内部に開けた空洞と超音波素子による音響共鳴触覚素子センサと対象物とを接触させた際の空洞の変形を共鳴周波数の変化として捉え、接触力を検知する方法がある（特許文献８、非特許文献１）。これによれば、グリップ機能に必要な滑りに関する対象物の摩擦係数を求めることができるが、対象物の硬さ柔らかさの情報を得るものではない。
【００１０】
医療用、介護用ロボットなどの人協調型ロボットあるいは産業用ロボットなどの指先には、人の指先の皮膚と同様に物体との接触を通して感触情報を収集する機能（センシング機能）を兼ね備えることが望まれる。また、医療分野における低侵襲手術やバイオ分野における細胞操作において、小型な簡易な構造が必要である。
【００１１】
生活支援型ロボットは、種々様々な材質からなる物体に取り囲まれて活動しなければならない。このような活動環境下では、接触の瞬間に粉体の材質を認識し、物質を特定する分析機能を持つことにより、把持動作の効率が向上すると考えられる。更に触覚センサが素材認識の能力を持つことは、ロボットの知能の獲得につながるものであり、分析機能を持つセンサの重要性は今後増大していくと思われる。
【００１２】
人間が物体を特徴付ける際に利用する特性パラメータは、比重・密度の他に弾性率や硬率などの機械的特性、温冷感などの熱伝導特性、表面性状など多岐にわたるが、本発明者らは、このうちの機械的特性に焦点をあてた指先用の触覚センサの開発を進めている（非特許文献２）。
【００１３】
圧子力学は、接触プローブ（圧子）を固体表面に押し込むことにより、各種工業用材料の非時間依存型の弾性、弾塑性、更には時間依存型の粘弾性特性の同時定量評価を可能とする新しい力学であり、科学と工学の両面から学問体系化が進められている（非特許文献３、４）。この圧子力学で用いられる球形圧子は、「指の腹」と類似した形状及び機能を持つことから、圧子力学の技術や解析法を触覚センサに応用することにより、新しい機能を持つセンサを開発できると期待されている。
【００１４】
以上の技術背景を踏まえて、本出願人は、人の指先の皮膚と同様に物体との接触を通じて感触情報を収集する機能（センシング機能）を有し、物体との接触の瞬間に材質を知覚することが可能な新しい触覚センサを創造した（特許文献９）。
【００１５】
対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を少なくとも２個の検出素子で近似する触覚センサは、人の指先と同様に触覚情報の計測をリアルタイムで行うセンシング機能を有しており、物体の材質など定性的分析を接触の瞬間に可能にする。上記触覚センサは、人の指の腹の形状を模した曲面形状に作製されているため、ヒューマノイドのような人協調型ロボットの指先の腹としてそのまま用いることが可能であり、ロボットが行う一般的な把持動作において、常に指の腹に組み込んだ触覚センサは物体と接触することになる。しかしながら、改良すべき事項が残されている。すなわち、実際には、指の腹に相当する曲面の中央が接触中心となるとは限らない。触覚センサの検出信号を正しく解析できるようにするためには、触覚センサの検出素子を最適な位置に配置する必要があるが、従来の触覚センサでは、そこまでの配慮がなされていない。
【００１６】
【特許文献１】特告昭４０−２７２３６号公報
【特許文献２】特開平１−１８９５８３号公報
【特許文献３】特開平５−３２２７３１号公報
【特許文献４】特開平６−５８８２９号公報
【特許文献５】特開平１０−３００５９４号公報
【特許文献６】特開２０００−２８８９７３号公報
【特許文献７】特開２００２−１１６１０１号公報
【特許文献８】特開２００１−２１４８２号公報
【特許文献９】特開２００７−１７２４３号公報
【非特許文献１】篠田裕之、日本ロボット学会誌  Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．６、ｐｐ．７６７−７７１（２０００）
【非特許文献２】宮島達也、逆井基次、圧子力学の触覚センサへの応用、ロボティクス・メカトロニクス講演会  ’０６講演論文集、２Ｐ２−Ｂ０４、２００６
【非特許文献３】Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．,  ｖｏｌ.１４、ｐｐ.３６３０−３６３９、１９９９
【非特許文献４】Ｊ．Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌｉｄｓ，  Ｖｏｌ.２８２、ｐｐ．２３６−２４７、２００１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
このような状況の中で、本発明者は、上記従来技術に鑑みて、前記触覚センサにおいて、該触覚センサの検出信号を正しく解析できるようにした新しい触覚センサを開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、触覚センサの検出素子と接触点との相対位置関係を調整しながら材質を知覚する機能を有する触覚センサ素子を開発することに成功し、本発明を完成するに至った。本発明は、物体との接触の瞬間に検出素子と接触点との相対位置関係を調整しながら、材質を知覚する機能を有し、しかも構造が簡便な新しいタイプの触覚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】
【００１８】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）内外表面が球面である球殻の構造を持ち、その球殻の外面が対象物と接触した際にその内面に取り付けた歪みゲージによって異なる３ヶ所の変形を計測する触覚センサであって、対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出する少なくとも３個の検出素子を有し、かつこれらの検出素子の測定信号である球面変形信号を利用して曲面の中央が接触中心となるように調整する軸心調整機能を有することを特徴とする触覚センサ。
（２）対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出し、接触中心と検出素子との相対位置を調整する軸心調整機能を有する前記（１）に記載の触覚センサ。
（３）検出素子１の出力信号ε１と、検出素子２と検出素子３の出力信号ε２とε３とが、ε３／ε２＝１の条件を満たし、ε２／ε１が極小値となるように接触中心と検出素子との相対位置を調整する前記（２）に記載の触覚センサ。
（４）対象物と接触することによって球面あるいは非球面もしくは非平面からなる曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を異なる２点の歪みあるいは応力値から検出する検出素子を有する前記（１）に記載の触覚センサ
（５）電気的、光学的、磁気的又は音響的手段を用いて計測された異なる２点の歪みの差分の変化率から被接触物質の変形抵抗性を検出し、接触対象物の硬さ、柔らかさに関する特徴を決定する前記（１）に記載の触覚センサ。
（６）既知物質で構成されたセンサを用い、センサの変形を定量的に計測することによって接触材の材質を認知する機能を付与した前記（１）に記載の触覚センサ。
（７）弾性体曲面の球殻構造体の内部に歪みゲージを配置した前記（１）に記載の触覚センサ。
（８）弾性体曲面に少なくとも３個の歪みゲージを配置した信号処理手段と、該信号を処理して歪み差分変化率を演算する信号処理手段を有する前記（１）に記載の触覚センサ。
（９）信号処理手段が、歪み変換増幅器、解析値記憶手段、解析値演算手段を有する前記（８）に記載の触覚センサ。
（１０）中心位置及び非中心位置の歪みを検出する歪みゲージ、歪み差分の変化率から対象物の硬さを算出する手段、実験的に得られた数値との対比により接触材の材質を認知する手段を有する前記（１）に記載の触覚センサ。
（１１）解析値演算手段により算出されたデータを既存のデータと比較して知覚データ化処理することにより、未知物質の硬さ、柔らかさ等の変形抵抗性を知覚する機能を有する前記（９）に記載の触覚センサ。
【００１９】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、内外表面が球面である球殻の構造を持ち、その球殻の外面が対象物と接触した際にその内面に取り付けた歪みゲージによって異なる３ヶ所の変形を計測する触覚センサであって、対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出する少なくとも３個の検出素子を有し、かつこれらの検出素子の測定信号である球面変形信号を利用して曲面の中央が接触中心となるように調整する軸心調整機能を有することを特徴とするものである。本発明では、対象物と接触することによって曲面に生じる歪み分布、もしくは応力分布を検出し、接触中心と検出素子との相対位置を調整する軸心調整機能を有すること、検出素子１の出力信号ε１と、検出素子２と検出素子３の出力信号ε２とε３とが、ε３／ε２＝１の条件を満たし、ε２／ε１が極小値となるように接触中心と検出素子との相対位置を調整すること、を好ましい実施の態様としている。
【００２０】
次に、本発明の原理及び作用を説明するために、２つの面同士の接触を考える。一方は、未知物質の表面であり平面とする。もう片方は、接触面が曲面を持つセンサ表面であり、その内部には表面の変形量を計測する機能が組み込まれている。センサである曲面と未知物質の表面とを接触させ、更に両者の間隔を狭めるにしたがって、接触の荷重及び接触面の直径は増大し、それと同時に互いの面は変形し、元の面と異なる曲率となる。この曲面形状が変形する仕方と接触面寸法の大きさが、接触荷重と互いの材質（弾塑性的特性）によって決まることを原理として、未知物質の材質を特定する。すなわち、既知材質で構成されたセンサを用い、センサの変形を定量的に計測することによって、接触材の材質を知覚する。
【００２１】
本発明の触覚センサの理解を助けるために、硬さの異なる二種類の対象物を考える。図１は、該触覚センサの曲面を平面からなる対象物の表面に接触させた状態を示した模式図であり、図１（ａ）は、対象物が相対的に「柔らかい」場合を、そして、相対的に「硬い」場合を、図１（ｂ）に示している。
【００２２】
ここで、両者の例で同じ荷重Ｐが負荷されているとすると、図１（ａ）に示す柔らかい物質、すなわち、変形し易い物質は深く押し込まれるので、相対的に広い接触面を形成しながら、半径ａ１、接触面積Ａｃ１（＝πａ１２）の接触円を形成する。他方の相対的に変形しにくい硬い物質では、図１（ｂ）に示すように、該触覚センサの対象物表面に対する押し込み深さは浅く、そのために、接触面は狭く、すなわち、接触面の半径ａ２、及び、接触面積Ａｃ２（＝πａ２２）は、柔らかい場合よりも小さい（ａ２＜ａ１、Ａｃ２＜Ａｃ１）。
【００２３】
接触変形が弾性範囲内で行われる接触については、古典的なヘルツ理論が確立されており、その変形挙動を上述のパラメータと弾性率（ヤング率）を用いて厳密に記述できることが広く一般的に知られている。接触面の半径は、押し込み深さｈと曲面の曲率半径Ｒを用いて、ａ＝（ｈＲ）１／２の関係がある。また、曲面と対象物との接触軸方向の接触応力を考えると、接触の中心で最大をとり、図１（ａ）の例では、その最大値ｐ０は（３／２）（Ｐ／πａ１２）である。
【００２４】
他方、相対的に変形しにくく硬い物質である図１（ｂ）の場合、接触応力の最大値ｐ０は（３／２）（Ｐ／πａ２２）であり、ａ２＜ａ１の関係から、最大接触応力はより高い値をとる。すなわち、同一荷重Ｐで接触させた場合、対象物が硬く変形しにくい場合には、柔らかく変形しやすい場合よりも高い応力が接触円の中心に発生する。これまでの説明では、垂直応力についてのみ言及したが、垂直歪み、あるいは、接触中心を原点としたラジアル応力あるいはラジアル歪みを対象としても全く同様である。
【００２５】
この状態で、同一荷重によって負荷されたセンサ曲面の接触部に分布する垂直応力分布を考えると、柔らかい物質は、接触応力Ｓの最大値Ｓ１は低く接触面積（Ａｃ＝πａ１２）が広いために、応力分布はなだらかとなる。一方、硬い物質では、接触応力Ｓの最大値Ｓ２は高く接触面積（Ａｃ＝πａ２２）が狭いため、鋭い勾配の分布となる。その接触円内の接触応力分布ｐは、前述のヘルツ理論によれば、ｒを接触円の半径方向の距離としてｐ０（１−（ｒ／ａ）２）−１／２と書ける。これらの応力分布は、それぞれ図１（ａ）（ｂ）に模式的に示されている。これらは、ある定められた条件で接触した際に、接触物に発生する応力分布あるいは歪み分布が対象物の硬さ（変形に対する抵抗特性）に応じて一義的に定まることを意味している。
【００２６】
本発明は、ある定められた条件で接触した際に、接触物に発生する応力分布あるいは歪み分布が対象物の硬さ（変形に対する抵抗特性）に応じて、一義的に定まることを原理として、その応力分布あるいは歪み分布を定量的に計測し、対象物の硬さを推定するものである。
【００２７】
また、先端が曲面ではない場合も、上述の曲面と同様である。一例として、該触覚センサを円錐形状とした場合を考えれば、触覚センサと対象物との接触面の大きさ、すなわち、接触半径ａは、対象物が硬い場合は小さく、柔らかい場合には大きくなる。垂直応力分布は、円錐の先端角をαとして、下記の数１で示される式、
【００２８】
【数１】
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【００２９】
と書け、ある定められた条件で接触した際に、接触物に発生する応力分布あるいは歪み分布が、対象物の硬さ（変形に対する抵抗特性）に応じて、一義的に定まることを意味している。
【００３０】
しかしながら、該触覚センサの先端形状が曲面でなく平面、すなわち、円筒や角柱の形状である場合には、状況が異なる。この場合、対象物が相対的に柔らかいか硬いかという相違は、押し込み深さがそれぞれ深いあるいは浅いという差に現れてくるが、接触面積は、いずれの場合も同一である。したがって、対象物が「柔らかい」「硬い」という相違が有るにも関わらず、最大接触応力及び接触分布に違いが見られない。このように、接触面の形状が平面、すなわち、円筒や角柱の形状であるものは、触覚センサとしての機能を示さない。
【００３１】
図２は、該触覚センサに複数個の応力検出素子あるいは歪み検出素子を適当な間隔でマトリックス状に配置した例を示した模式図である。このように、各検出素子から得られる複数の信号を用いることにより、推定される応力分布もしくは歪み分布の近似精度が高くなることが期待される。更に、センサと対象物とが垂直に押し込まれることが好ましいが、図３のように、もしそれがずれていたとしても、複数個の応力あるいは歪み素子をセンサ中心に対して対称的になるようマトリックス状に配置した場合には、最大応力位置がセンサ中心となるように、センサの接触角を調整する機能を奏する。
【００３２】
まず、本願発明が特徴としている、少なくとも３個の検出素子を用いる軸心調整によって、接触方向の同軸直線に接触点と中心検出素子とが位置するよう調整を図る方法について説明する。図４は、接触点が中央に配置した検出素子１の真上に位置しないミスアライメントの状態が触覚センサの３つの検出素子と接触中心部（Ｘｃ、Ｙｃ）との関係が調整されていない状態を示す模式図である。短時間で接触中心部（Ｘｃ、Ｙｃ）を中央に配置した検出素子１の真上に位置するよう調整することが命題である。
【００３３】
接触点が中央に配置した検出素子１の真上に位置した場合、すなわち、最適状況に到達している場合では、ε１は最大値をとる。したがって、ε２／ε１が極小値となることは、接触点が中央に配置した検出素子１の真上に位置していることの必要充分条件となる。
【００３４】
したがって、原理的には、「ε２／ε１が極小値となる」ように軸心調整の作業を進めていけば、接触点は、中央に配置した検出素子１の真上に最終的に位置することは可能である。しかしながら、この方針では、最適化のために掛かる時間は極めて長いと予想される。
【００３５】
そこで、図４に示すように、第３の検出素子を用いる方法を確立した。しかし、本発明は、３個の検出素子を用いる方法に限定されるものではなく、少なくとも３個の検出素子、すなわち、３個以上の検出素子を有するものであれば同様に本発明の触覚センサを構築することが可能であるが、ここでは、説明を分かり易くするために、本発明の代表的な一例として、３個の検出素子を用いる場合について説明する。触覚センサの中央に配置した検出素子１の出力信号をε１と呼び、同様に、検出素子２と検出素子３の出力信号をε２とε３と呼ぶことにする。検出素子２と検出素子３は検出素子１から等距離の位置に置くことにする。検出素子２と検出素子３からの信号が等しく、ε２＝ε３であること、換言すると、ε３／ε２＝１なる条件が満たされることは、接触点が中央に配置した検出素子１の真上に位置していることの十分条件となる。
【００３６】
最適位置にすばやく配置するアルゴリズムは、以下のようになる。検出素子２と検出素子３からの信号が等しく、ε３／ε２＝１なる条件を満たし、更に、この条件下でε２／ε１が極小値となること、を満たすよう軸心調整作業が進められる。図４において、検出素子２と検出素子３からの出力信号が等しい条件、すなわち、ε３／ε２＝１である条件は、原点を通る４５度の直線（一点破線，Ｙ＝Ｘ）として描かれている。検出素子１と接触中心を一致させるには、まず、第一段階として、接触中心部（Ｘｃ、Ｙｃ）をこの直線上に載せることにより、ε３／ε２＝１なる条件を満たし、更に、直線に沿いながら第二段階の探査を進めていく。第二段階では、検出素子１と検出素子２からの出力信号の比ε２／ε１を条件判断の基準として用いる。ここで、接触中心の座標（Ｘｃ、Ｙｃ）が（（１／２）Ｘ１、（１／２）Ｙ１）である時は、接触中心から検出素子１までの距離と接触中心から検出素子２までの距離は等しく、それぞれの出力信号の比ε２／ε１は１となる。また、接触中心座標（Ｘｃ、Ｙｃ）が点（（１／２）Ｘ１、（１／２）Ｙ１）よりも遠方にある場合にはε２／ε１＞１となり、逆に、接触中心がこの点よりも検出素子１側（原点側）にあればε２／ε１＜１となる。接触中心が検出素子１と一致し真上に位置すると、ε１は最大値をとるので、ε２／ε１は極小値となる。したがって、ε２／ε１が極小値をとるか否かの条件判断で真と判定されることで軸心調整の最適条件に到達する。以上のアルゴリズムに従えば、最適化に費やされる労力あるいは時間を大幅に節約することができる。
【００３７】
次に、本発明のもう一つの特徴である、異なる２点の計測位置における応力あるいは歪みのみの信号を処理することにより、応力分布あるいは歪み分布を近似的に推定する方法について説明する。
【００３８】
わずか２点の信号源から得られるデータのみで触覚に関する知能を持つセンサを構成することが可能となれば、センサの構成部品や配線材料を少なくできるだけでなく、信号処理に掛ける労力及び時間の短縮に結びつく効果が生まれる。これらは、ロボットや義肢の指先あるいはマニピュレータにおいては、その先端の微小空間内で触覚センサを構成させる必要があること、そして、リアルタイムで信号処理結果を提示させる必要があることの課題と合致している。
【００３９】
図５は、本発明の作用を説明するために、前述の説明と同様に、硬さの異なる二種類の対象物に対して触覚センサを接触させた場面の模式図である。ここでは、二種類の対象物において、接触中心に発生する垂直応力の最大値が同一となる負荷条件が描かれている。
【００４０】
負荷荷重は、本発明の本質に関わることではないが、先の図との違いを強調するために、説明を加えておく。接触中心に発生する最大接触応力は、変形しにくい硬い物体（左側）では（３／２）（Ｐ２／πａ２２）であり、他方の柔らかい物体（右側）では（３／２）（Ｐ１／πａ１２）であるので、これらの応力値が等しい条件における負荷荷重にはＰ１＝（ａ１／ａ２）２Ｐ２なる関係がある。前述したとおり、同一荷重の条件ではａ１＞ａ２の関係があることから、（ａ１／ａ２）２＞１であり、すなわち、変形しやすい柔らかい物体（右側）の荷重Ｐ１は、硬い物体（左側）の荷重Ｐ２よりも高くなければならない。
【００４１】
図６の右側には柔らかい物体、左側には硬い物体が描かれている。接触中心の位置（０）における応力もしくは歪みと中心から同じ距離だけ離れた位置（１）での応力もしくは歪みの分布であり、応力分布あるいは歪み分布に対して、接触中心とある距離だけ離れた位置の２点で近似を行う。接触に対する変形の抵抗性を示す指標として、次のパラメータを定義する。
【００４２】
【数２】
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【００４３】
ここでσ１及びε１は、接触中心における応力と歪みであり、σ２及びε２は接触中心からある距離だけ離れた位置における応力と歪みである。
【００４４】
既知の物質に対して本発明の方法により算出された硬さ指数ＨＱと、同じ物質に対して標準的な硬さ試験法によって測定された硬度、あるいは弾性率、剛性率などの変形抵抗性を表す力学物性値とによって対応表もしくは方程式などの校正式を作成しておけば、内挿法もしくは外装法によって未知物質の硬さ指数ＨＱから広く普及している変形抵抗性を表す力学物性値への換算が可能となる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明により、以下のような効果が奏される。
（１）触覚センサの接触位置と検出素子との関係を常に最適化するため、すなわち、接触のための駆動方向の同軸直線上に接触点と中心検出素子とが位置するよう位置調整するため、演算される数値の精度と信頼性を高めることが可能である。
（２）触覚センサの構成は、対象物との接触曲面とその曲面の変形率を検出する少なくとも３個の素子のみであり、検出素子による触覚用信号を軸心調整のための信号としても用いるため、別の異なる軸心調整専用の機構を新たに設置する必要がないことから、その構成が極めて単純であり、そのため、製造が容易であり、安価であると同時に、小型化が可能である。
（３）同一のセンサで、セラミックスのような超硬質な物質から極めて柔らかい物質にわたる幅広い対象物について、その硬さ、柔らかさを数値化することが可能である。
（４）更に、時間依存型変形挙動を示す粘弾性体においても、その特性を定量化し、表示することが可能である。
（５）本発明の触覚センサは、人の指のひらの形状に類似した曲面を有する触覚センサが対象物質に接触する際に、当該触覚センサ自体が変形することを利用して、物質の硬さを感知できるため、人の場合と同様な感覚の特性を再現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
次に、本発明の実施例及びその測定例を具体的に説明するが、以下の実施例は、本発明の好適な例を示すものであり、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００４７】
本発明の触覚センサに関する実施の形態について説明すると、図６は、触覚センサシステムのうち、信号検出手段と信号処理手段を示した模式図である。信号検出手段は、対象物に接触することにより変形を受ける弾性体（触覚センサ）及び応力あるいは歪みを検出し、電気信号に変換する３個の素子（変換器）から構成される。曲面を有する弾性体として、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス製の半径３０．０ｍｍの球殻、もしくは石英ガラス製の半径３５．０ｍｍの球殻を用い、その外側球面を対象物との接触面とした。
【００４８】
また、歪み検出器として、例えば、歪みゲージ（共和電業株式会社製、ＫＦＧ−０２−１２０、又は、ＫＦＲＳ−０２−１２０）を用いた。それらの歪みゲージは、接触センサ内部の底部にシアノアクリレート系接着剤にて固定されている。固定位置は、一枚目は歪みゲージ１として接触中心位置である球面の底であり、更に、歪みゲージ２と歪みゲージ３はその中心が接触中心の位置から１．７５ｍｍ又は１．０ｍｍだけ離れた位置に接着固定されている。
【００４９】
センサ本体１は、前述の原理によれば、曲面を持つ弾性体としてガラスなどの線形弾性体ではなく、柔軟性のある非線形弾性体を用いることも可能である。また、その形状としては、必ずしも球殻構造体である必要は無く、歪み等の検出素子をその内部に固定した後に適当な物質を充填することによってバルクな球面体とすることもできる。機械的変形量に対応して自己発光する応力発光材料やコイル状炭素短繊維を樹脂マトリックスに分散した複合材料などの機能性材料を利用することもできる。
【００５０】
更に、変形率を計測する検出器を対象物との接触面となる外側の曲面におくことも、原理的には何らの問題はない。ただし、歪みゲージを球殻構造体の内部に配置することの利点は、歪みゲージと対象物とが直接接触しないため、歪みゲージが摩耗や損傷を受ける弊害が無くなり、性能の長期安定性や長寿命化に結びつく。
【００５１】
信号処理手段は、信号検出手段で検出される電圧等の信号を増幅し、記憶・演算する手段から構成される。例えば、歪み変換増幅器として動歪み測定器（ＮＥＣ三栄株式会社製、ＡＣ式動歪み測定器  ＡＳ１１０３）を用いることにより、弾性体が変形することにより生じる歪みゲージの抵抗変化を電圧変化として出力することができる。この電圧変化は、一般的なアナログ・デジタル変換器を通して、コンピュータの記憶回路・演算回路に送られる。演算処理とは、例えば、歪みを計測した場合には（１’）式に従って、中心位置での歪み信号から離れた位置での歪み信号を差し引いた差分と中心位置の歪みの関係から、硬さ指数ＨＱを算出する処理である。
【００５２】
演算処理により算出された硬さ指標ＨＱは、良く知られた既知の物質により作成された対応表もしくは方程式などを用いて校正する。これにより、本発明において定義した硬さ指標ＨＱを、広く一般に使用されている各種の硬度、あるいは、弾性率、剛性率などの変形抵抗性を表す力学的物性値と対応させることが可能となる。
【００５３】
図７は、信号検出手段から信号処理手段、駆動角度最適化手段、そして触覚情報化処理手段までの流れを示したものである。演算処理を含めてコンピューターでの処理には既存の人工知能を活用することができる。知識ベース型人工知能のプログラムにあらかじめ幾つかの物質についてのデータを取り込んでおくことで、未知物質の硬さ、柔らかさを認識することが可能となる。
【００５４】
図８は、本発明の実施例を示す触覚フローチャートを示す図である。３点のひずみ検出によりひずみ除算を算出し、軸心調整を二段の判断を経て完了した後に、触覚演算に移行し、ひずみ差分を算出し、ひずみ差分の変化率から硬さＨＱを算出し、得られた硬さＨＱと硬さＨとの対応表からＨを算出する。図９は、軸心調整の第一段階における判断の様子を図に示したものである。この第一段階は、検出素子２と検出素子３からの出力信号が等しい条件、すなわち、ε３／ε２＝１なる条件を満たすようにする判断回路が中心となる。ここでは、Ｘ軸回りの回転角（α（＝θｘ））とＹ軸回りの回転角（β（＝θｙ））を接触位置の制御パラメータとし、角度変化によって接触中心座標を変化させた際の、検出素子２と検出素子３からの出力信号比ε３／ε２を算出し、その値に基づく判断を行う。なお、検出素子からの出力信号を正確に得るため、接触操作は次の通りに実施することができるが、この手順は操作の好適な一例を示すものであり、これに限定されるものではない。まず、接触位置の調整のためにＸ軸回りの回転角とＹ軸回りの回転角をそれぞれ設定する際には接触の対象物と概触覚センサとの間隔を充分に離し、接触していない状態における検出素子（ひずみゲージ）の出力信号レベルをゼロに設定する。次に、対象物と触覚センサとを接触させるために駆動機構を動作させ、それと同時に３つの検出素子からの出力信号を記録（記憶）していく。更に、接触の瞬間から信号演算を開始し、判断回路にて、出力信号比ε３／ε２＝１なる条件を満たすか否かについて接触位置の判定を行う。ここで、対象物と触覚センサとの接触量（深さ）については、接触の対象物の力学物性に依存する弾性限界の範囲内であれば良く、必要以上に接触を深くする必要はない。更に、接触のための駆動を荷重制御もしくは変位制御で行うかについても、概触覚センサの原理に影響するものではない。本実施例では、一定速度（毎秒２ミクロン、ランプ波）で負荷を最大荷重である２Ｎまで与えた後に、除荷し、対象物と触覚センサとを完全に乖離させた。以上の条件設定と判断の操作を繰り返し行うことで、ε３／ε２＝１なる条件を満たす範囲に到達することができる。図９中の丸印で示された測定点は、Ｘ軸回りの回転角  （α（＝θｘ））とＹ軸回りの回転角（β（＝θｙ））を接触位置の制御パラメータとし、接触中心座標を変化させた結果を示しており、白抜きの記号（○）で示された点は、ε３／ε２が１とならなかった条件を意味している。一方、同図中の黒丸（●）で示された点は、検出素子２と検出素子３からの出力信号が等しく、ε３／ε２＝１なる条件を満たす角度であった。これらの黒丸（●）同士を結ぶ直線上にあり、それらを補完する位置にある黒四角（■）で示された点は、ε３／ε２＝１なる条件を満たすという予想に基づき、Ｘ軸回りの回転角（α（＝θｘ））とＹ軸回りの回転角（β（＝θｙ））を設定した点であるが、事実、検出素子２と検出素子３からの出力信号は等しく、ε３／ε２＝１なる条件を満たす角度であった。
【００５５】
図１０は、軸心調整を行わない段階での負荷−歪み曲線である。検出素子２と検出素子３は検出素子１から等距離に位置に置かれているため、検出素子２と検出素子３からの出力信号は等しく、ε２＝ε３でなければならないが、図からは、接触点が検出素子１の直上にないことが見て取れる。図１１は、軸心調整の第一段階の判断において真と判定された条件の負荷−歪み曲線である。検出素子２と検出素子３からの出力信号は等しく、ε３／ε２＝１なる条件を満たしていることが分かる。
【００５６】
図１２は、第二段階における判断の様子を図に示したものである。この第二段階は、第一段階の判断で真と判定された条件について、接触中心が検出素子１の真上にあることを、検出素子１と検出素子２からの出力信号の比ε２／ε１が極小値となる条件によって探し出す判断回路である。接触によって各検出素子からひずみ出力信号を取り出し記録する操作手順は第一段階で行ったものと同じであり、第一段階の演算と同時平行に進めていくことができる。その手順は以下の様になる。接触していない状態の検出素子（ひずみゲージ）の出力信号レベルをゼロに設定する。次に、対象物と触覚センサとを接触させるために駆動機構を動作させ、それと同時に３つの検出素子からの出力信号を記録（記憶）し、接触の瞬間から検出素子１と検出素子２からの出力信号の比ε２／ε１の演算を開始する。更に、第一段階の判断回路にて真と判定されたものについてのみ、検出素子１と検出素子２からの出力信号の比ε２／ε１が極小値となる条件を満たすか否かの判定を行う。図１２は、図９において黒丸（●）及び黒四角（■）で示された、第一段階の判断回路にて真と判定された条件について、検出素子１と検出素子２からの出力信号の比ε２／ε１をＹ軸回りの回転角（β（＝θｙ））に対してプロットしたものである。図１２からＹ軸回りの回転角（β（＝θｙ））が０．５度の点にε２／ε１の極小値が現れていることが見て取れる。これによって、接触点が中央に配置した検出素子１の真上に位置した最適条件の探索が完了した。
【００５７】
図１３は、測定対象物として、窒化ケイ素セラミックス（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素セラミックス（ＳｉＣ）、アルミナセラミックス（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニアセラミックス（ＺｒＯ２）、一軸炭素繊維強化炭素複合材料（１Ｄ−Ｃ／Ｃ）、ソーダ石灰ガラス（Ｓ．Ｌ．  Ｇｌａｓｓ）の無機系物質の６種類を測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。ＨＱは各プロットの傾きであり、後に示すＨＱの値は原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。
【００５８】
図１４は、測定対象物として、炭素鋼（ＳＫ５）、耐蝕鋼（ステンレスＳＵＳ３０４）、無酸素銅（Ｃｕ）、アルミニウム合金（Ａｌ）の金属系物質の４種類を測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。ＨＱは各プロットの傾きであり、後に示すＨＱの値は原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。
【００５９】
図１５は、前述の無機系及び金属系物質の１０種類について、別の標準的方法（超音波パルスエコー法）により求めたヤング率を横軸に、本発明の方法により求めたＨＱを縦軸としてプロットした検量線である。
【００６０】
図１６は、前述の無機系及び金属系物質の１０種類について、別の標準的方法（ビッカース硬さ試験法）により求めた硬度を横軸に、本発明の方法により求めたＨＱを縦軸としてプロットした検量線である。
【００６１】
図１７は、測定対象物として、フッ素樹脂（硬質、ＰＴＦＥ）、フッ素樹脂（軟質、  ＰＴＦＥ）、石鹸（硬質）、石鹸（軟質）、板目紙（厚み１ｍｍ）、紙の束（厚み５ｍｍ）、消しゴム（インク用）、プラスチック消しゴム（鉛筆用）の８種類を測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。ＨＱの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。
【００６２】
図１８は、測定対象物として、竹（外側）、竹（内側）、杉、松、コルク（粗大組織）、コルク（微細組織）の木質系材料の６種類を測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。ＨＱの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。
【００６３】
図１９は、食品の飴（キャンディ）を測定対象物とし、触覚センサと対象物を含む測定環境の温度を３５．０℃から４０．０℃まで１℃ごと変化させて測定した結果である。接触における押し込み速度は全ての測定温度で毎秒１．０ミクロンの一定とした。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。ＨＱの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。
【００６４】
図２０は、前述のキャンディから得られたＨＱの値を測定環境温度に対してプロットしたものである。測定温度が３０．０℃から３５．０℃までは一定の硬さを示しているが、３５．０℃よりも高温になるに従い硬さが低下することが分かる。この境界温度は、ガラス転移点に相当すると考えられ、ガラス転移温度が３５℃と求められた。
【００６５】
図２１は、前述のキャンディを測定対象物とし、触覚センサと対象物を含む測定環境温度を４０℃の一定とし、接触速度を毎秒１．０ミクロンから毎秒２．５ミクロンまで変化させて測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。ＨＱの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。
【００６６】
図２２は、前述のキャンディから得られたＨＱの値を押し込み速度に対してプロットしたものである。図２３は、食品のキャラメルを測定対象物とし、触覚センサと対象物を含む測定環境の温度を２．０℃から１０．０℃まで１℃ごと変化させて測定した結果である。接触における押し込み速度は全ての測定温度で毎秒１ミクロンの一定とした。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。ＨＱの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。
【００６７】
図２４は、前述のキャラメルから得られたＨＱの値を測定環境温度に対してプロットしたものである。測定温度が２．０℃と３．０℃とは一定の硬さを示しているが、３．０℃よりも高温になるに従い硬さが低下することが分かる。この境界温度は、ガラス転移点に相当すると考えられ、ガラス転移温度が３℃と求められた。
【００６８】
図２５は、前述のキャラメルを測定対象物とし、触覚センサと対象物を含む測定環境温度を５℃の一定とし、接触速度を毎秒１．０ミクロンから毎秒３．０ミクロンまで変化させて測定した結果である。図の横軸には、接触センサと対象物とを接触させた接触中心位置の歪みを、縦軸は接触中心位置の歪みから接触中心位置より１．７５ｍｍ離れた位置における歪みを差し引いた値をプロットした。ＨＱの値は各カーブの原点での傾き、すなわち、接触した瞬間の傾きとして求めた。
【００６９】
図２６は、前述のキャラメルから得られたＨＱの値を押し込み速度に対してプロットしたものである。図２７は、２９品目の合計５３条件において得られたＨＱの値を柔らかいもの（キャラメル）から硬いもの（超硬質セラミックス）の順に示した棒グラフである。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上詳述したように、本発明は、触覚センサに係るものであり、本発明により、人の触覚を代替し、触覚情報を定量的に計測できる触覚センサを提供することができる。本発明の触覚センサの構成は、対象物との接触曲面とその曲面の変形率を検出する少なくとも３個の素子を有し、かつこれらの検出素子の測定信号である球面変形信号を利用して曲面の中央が接触中心となるように調整する軸心調整機能を有することを特徴とするものであることから、その構成が極めて単純で、製造が容易であり、安価であると同時に、小型化が可能である。同一のセンサで、セラミックスのような超硬質な物質から極めて柔らかい物質にわたる幅広い対象物について、その硬さ、柔らかさを数値化することが可能であり、粘弾性体においても、その特性を定量化し、表示することが可能である。本発明は、触覚センサ自体が変形することを利用して物質の硬さを感知できるため、人の場合と同様な感覚の特性を再現することが可能な新しいタイプの高精度触覚センサを提供することを実現するものとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】変形のしやすさの異なる２種類の対象物と曲面との接触状態を示す模式図である。
【図２】接触により発生する応力分布又は歪み分布を曲面上に配置した応力・歪み検出素子により近似する説明図である。
【図３】接触が対象物の表面に対して垂直でない場合の応力分布又は歪み分布の模式図である。
【図４】触覚センサの３つの検出素子と接触部（Ｘｃ、Ｙｃ）との関係が一致していない状態を示す模式図である。
【図５】曲面（球面）と変形のしやすさの異なる２種類の対象物との接触により発生する応力分布又は歪み分布を、曲面上に配置した２点の応力又は歪み検出素子により近似する説明図である。
【図６】本発明の実施例を示す触覚センサシステムの模式図である。
【図７】本発明の実施例を示す信号処理回路のブロック線図である。
【図８】本発明の実施例を示す軸心調整と触覚測定フローチャートである。
【図９】図６の装置による軸心調整の第一段階を示す図である。
【図１０】軸心調整を行う前の負荷−歪み曲線である。
【図１１】第一段階の軸心調整で真と判定された負荷−歪み曲線である。
【図１２】図６の装置による軸心調整の第二段階を示す図である。
【図１３】図６の装置による無機系材料（セラミックス）の歪み差分変化率曲線である。
【図１４】図６の装置による金属系材料の歪み差分変化率曲線である。
【図１５】図１３と図１４から算出された硬さと標準的試験法で評価されたヤング率との関係を示す図である。
【図１６】図１３と図１４から算出された硬さと標準的試験法で評価されたビッカース硬さとの関係を示す図である。
【図１７】図６の装置による人工物の歪み差分変化率曲線である。
【図１８】図６の装置による木質系材料の歪み差分変化率曲線である。
【図１９】図６の装置による飴（キャンディ）の３５℃〜４０℃における歪み差分変化率曲線である。
【図２０】図１９から算出された硬さの温度依存性を示す図である。
【図２１】図６の装置による飴（キャンディ）の負荷速度を毎秒１．０〜２．５ミクロンとした場合の歪み差分変化率曲線である。
【図２２】図２１から算出された硬さの負荷速度依存性を示す図である。
【図２３】図６の装置による菓子（キャラメル）の２℃〜１０℃における歪み差分変化率曲線である。
【図２４】図２３から算出された硬さの温度依存性を示す図である。
【図２５】図６の装置による菓子（キャラメル）の負荷速度を毎秒１．０〜３．０ミクロンとした場合の歪み差分変化率曲線である。
【図２６】図２５から算出された硬さの負荷速度依存性を示す図である。
【図２７】図６の装置による硬さの棒グラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
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【図１０】
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【図１１】
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