(57)【要約】【課題】  生産性が高く、かつ、物体からの剪断力を広い面積で高精度に検出する技術を提供すること。【解決手段】  複数の剪断力検出ユニット２０２を同一面上に配置した剪断力検出装置２０１である。この剪断力検出装置２０１において、剪断力検出ユニット２０２は、それぞれ、物体から剪断力を受けて変形する変形部材を備える。また、変形部材の内部において、物体からの剪断力を受けて歪むように設けられた片持ち梁形状の歪センサを備えることを特徴とする。【選択図】  図２
2008281403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の剪断力検出ユニットを同一面上に配置した剪断力検出装置であって、
前記剪断力検出ユニットは、それぞれ、
物体から剪断力を受けて変形する変形部材と、
該変形部材の内部において、前記物体からの剪断力を受けて歪むように設けられた片持ち梁形状の歪センサと、
を備えることを特徴とする剪断力検出装置。
【請求項２】
前記歪センサは、単一の変形軸に沿って変形することによって、該変形軸方向の剪断力を検知する構造を有し、
前記剪断力検出ユニットは、それぞれ、変形軸が互いに平行でない少なくとも２つの前記歪センサを含むことを特徴とする請求項１に記載の剪断力検出装置。
【請求項３】
少なくとも２つの前記剪断力検出ユニットが検出した剪断力から、前記物体の重心位置を算出する算出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の剪断力検出装置。
【請求項４】
前記剪断力検出ユニットは、変形軸が互いに平行でかつ変形軸が異なる２つの前記歪センサを含み、
該２つの歪センサからの出力に基づいて、前記剪断力検出ユニットに加えられたモーメントを算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の剪断力検出装置。
【請求項５】
前記剪断力検出ユニットは、変形軸が異なりかつ１点で交わらない３つの歪センサを含み、
前記３つの歪センサの出力に基づいて、前記剪断力検出ユニットに加えられた２軸方向の剪断力とモーメントを算出し、算出した剪断力とモーメントを用いて、前記剪断力検出ユニットに接触している物体の重心位置を算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の剪断力検出装置。
【請求項６】
物体が少なくとも２つの前記剪断力検出ユニットに接触している場合、該少なくとも２つの剪断力検出ユニットが検出した剪断力を用いて、前記物体の重心位置を算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の剪断力検出装置。
【請求項７】
前記剪断力検出ユニットにおける物体との接触面が凸状に湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の剪断力検出装置。
【請求項８】
前記剪断力検出ユニットは、前記物体からの圧力を検出する圧力センサを更に有することを特徴とする請求項１に記載の剪断力検出装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の剪断力検出装置を、物体を把持するハンドの把持面上に備えた物体把持システムであって、
前記変形部材は、前記把持面に沿った剪断力を前記物体から受けて変形し、
前記歪センサは、前記変形部材の内部において、前記剪断力を受けて歪むことを特徴とする物体把持システム。
【請求項１０】
前記把持面において、複数の前記剪断力検出ユニットを互いに離間させて配置したことを特徴とする請求項９に記載の物体把持システム。
【請求項１１】
前記剪断力検出装置は、物体を把持するハンドの２つの把持面のうち、何れか一方に設けられることを特徴とする請求項９に記載の物体把持システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体から加えられた剪断力を検出する剪断力検出装置及びそれを利用した物体把持システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の片持ち梁形状の歪センサを１つの弾性部材の内部に備える、剪断力センサが知られている（特許文献１参照）。このような剪断力センサは、基本的に、物体を把持するロボットのハンドの、把持対象物体との接触面に取り付けることを前提として開発されたものである。そして、ハンドが物体から受ける剪断力を検出することにより、ハンドが物体を落とさずに把持するのに必要な最低限の把持力（物体を挟みこむ力）を求めることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２０８２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の図１に示されているように、従来の技術では、広い面積において物体からの剪断力を検出しようとする場合、多くの片持ち梁形状の感応部が１つの大きな弾性部材に対して埋め込まれるように構成していた。その場合、複数の感応部のすべてが同じ性能を持って機能するように製造するのは非常に困難であり、製造上の負担が大きかった。剪断力を検出する面積を変えようとすると、その面積に応じた感応部を持つよう作り直す必要があり、やはり製造上の負担が大きかった。
【０００５】
また、１つの弾性部材の内部に複数の感応部を含む構成にすると、広い面積の１点に加えられた剪断力が非常に多数の感応部に作用してしまうため、各点において加えられる剪断力を正確に求めることが困難で、誤差が大きかった。さらには、多数の感応部からの出力を処理するための、明確な指針がなかった。
【０００６】
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、生産性が高く、かつ、物体からの剪断力を広い面積で高精度に検出する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る装置は、
複数の剪断力検出ユニットを同一面上に配置した剪断力検出装置であって、
前記剪断力検出ユニットは、それぞれ、
物体から剪断力を受けて変形する変形部材と、
該変形部材の内部において、前記物体からの剪断力を受けて歪むように設けられた片持ち梁形状の歪センサと、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
前記歪センサは、単一の変形軸に沿って変形することによって、該変形軸方向の剪断力を検知する構造を有し、
前記剪断力検出ユニットは、それぞれ、変形軸が互いに平行でない少なくとも２つの前記歪センサを含むことを特徴とする。
【０００９】
少なくとも２つの前記剪断力検出ユニットが検出した剪断力から、前記物体の重心位置を算出する算出手段をさらに備えたことを特徴とする。
前記剪断力検出ユニットは、変形軸が互いに平行でかつ変形軸が異なる２つの前記歪センサを含み、
該２つの歪センサからの出力に基づいて、前記剪断力検出ユニットに加えられたモーメントを算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする。
【００１０】
前記剪断力検出ユニットは、変形軸が異なりかつ１点で交わらない３つの歪センサを含み、
前記３つの歪センサの出力に基づいて、前記剪断力検出ユニットに加えられた２軸方向の剪断力とモーメントを算出し、算出した剪断力とモーメントを用いて、前記剪断力検出ユニットに接触している物体の重心位置を算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする。
【００１１】
物体が少なくとも２つの前記剪断力検出ユニットに接触している場合、該少なくとも２つの剪断力検出ユニットが検出した剪断力を用いて、前記物体の重心位置を算出する算出手段を更に備えたことを特徴とする。
【００１２】
前記剪断力検出ユニットにおける物体との接触面が凸状に湾曲していることを特徴とする。
【００１３】
前記剪断力検出ユニットは、前記物体からの圧力を検出する圧力センサを更に有することを特徴とする。
【００１４】
上記剪断力検出装置を、物体を把持するハンドの把持面上に備えた物体把持システムであって、
前記変形部材は、前記把持面に沿った剪断力を前記物体から受けて変形し、
前記歪センサは、前記変形部材の内部において、前記剪断力を受けて歪むことを特徴とする。
【００１５】
前記把持面において、複数の前記剪断力検出ユニットを互いに離間させて配置したことを特徴とする。
【００１６】
前記剪断力検出装置は、物体を把持するハンドの２つの把持面のうち、何れか一方に設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、生産性が高く、かつ、物体からの剪断力を広い面積で高精度に検出する技術を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１９】
＜前提＞
人間は物体を把持する際、視覚及び触覚情報をフィードバックして安定した把持を実現している。近年、ヒューマノイドロボットなどにも人間と同様に安定した把持が求められている。その際、物体の重心を把持することが必要となる。視覚情報のみを用いた場合、把持する物体の密度が均一でないと重心位置を検出することができない。このため、触覚情報を用いて重心位置を検出することが必要である。また、人間と同様に安定した把持を行うには、ハンドに分布したセンサを用いることが求められている。
【００２０】
そこで本実施形態は、図１に示すように、アーム１０１を有するロボットがハンド１０２で物体１０３を把持する際に、把持する物体の重さや密度分布などの情報を有さなくても、確実且つ安定した把持を実現するためのものである。特に、視覚的な情報無しに最適な把持位置を探るためには、物体を把持しながらその重心位置を検出することが必要である。そこで、本実施形態では、把持した物体の重量とモーメントを導き、把持点から重心までの距離を求める。具体的には、物体を把持するハンド１０２の把持面１０４に、剪断力、モーメント、把持力を算出可能なセンサアレイを設ける。このようなセンサアレイは、物体に触れた感覚を検出するセンサとも言えるので、触覚センサとも呼ばれる。センサアレイとそれを制御する制御ユニットとは剪断力検出装置として機能する。
【００２１】
なお、図１は、物体を把持するアームを単純化して示した図であり、本発明を適用できる物体把持システムはこのようなアームに限定されるものではない。特にハンドについては、人間の手のように複数本の指を有し、その各指にセンサアレイを設けた構成がより望ましい。その場合、小さな物体であればハンドの２本の指で、その物体を把持し、大きな物体であればハンドの３本以上の指で把持するなど、判断させてもよい。さらに大きな物体であれば、複数のアームを用いて把持しても良い。逆に、最も単純な構成としては、図１のような平面的な把持面の少なくとも一方にセンサアレイを設ければよい。
【００２２】
＜センサアレイの構成＞
図２を用いて本実施形態に係るセンサアレイの詳しい構成について説明する。図２は、物体との接触面が上になるようにセンサアレイを表わした概略図である。
【００２３】
センサアレイは、剪断力検出ユニットとしてのセンサユニットを、同一面上に複数配置した装置であり、本実施形態においては、各々のセンサユニットは略矩形であって、それらをマトリクス状に（縦横に）配列させている。図２において、１つのセンサユニット２０１のみについては、内部構成を透過させて示しているが、他のセンサユニットも同様の構成を内部に有している。また、図２では、センサユニットを３×３に並べたマトリクスセンサを表わしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、より多くのセンサユニットを並べても良いし、同心円状や渦巻き状など、他の並べ方によってセンサユニットを配置しても良い。各々のセンサユニットは、所定の間隙を持ちつつ離間しており、他のセンサユニットの変形の影響を受けない構成となっている。このセンサアレイは、平面上に限らず、曲面上に配置してもよい。
【００２４】
＜センサユニットの構成＞
図３は、図２のセンサユニット２０１を拡大した図である。センサアレイに含まれるセンサユニットは、それぞれ、物体から剪断力を受けて変形する変形部材３０１を含み、更に、変形部材３０１の内部において、物体から変形部材３０１を介して受けた剪断力によって歪む片持ち梁形状の歪センサ（以下、カンチレバーとも言う）を複数備える。言い換えれば、変形部材は、把持面に沿った剪断力を物体から受けて変形し、歪センサは、変形部材の内部において、剪断力を受けて歪む。それぞれ歪センサは、単一の変形軸に沿って変形することによって、変形軸方向の剪断力を検知する構造を有する。センサユニットは、それぞれ、変形軸の異なる少なくとも２つの歪センサを含む。
【００２５】
センサユニットにおける物体との接触面は凸状に湾曲していることが望ましい。例えば、センサの中央表面に凸形状の突起をつければ、物体がセンサの中心に接触するため、剪断力、モーメント、圧力を正確に測れるようになり、より正確に重心位置を測定できる。突起や凸状の湾曲部は変形部材と同じ部材であることが望ましい。また、図では、矩形の変形部材を表わしているが、変形部材は、ドーム状（半球状）でも良い。
【００２６】
本実施形態では、歪センサとして、歪みゲージ３０２ｂを表面に貼付したリン青銅製の平板３０２ａを用いている。歪みゲージ３０２ｂは、物体に発生する微小な伸び縮みを電気抵抗値に変換するセンサである。歪みゲージ３０２ｂの内部にある金属抵抗体は、伸びにより断面積が減るとともに長さが長くなるため抵抗値が増える。
【００２７】
図３では、その平板をカンチレバーとして垂直方向に立てた歪センサ３０２〜３０５を上方から見て十字を描くように４つ配置し、更に水平方向に寝かせた歪センサ３０６を４つの歪センサ３０２〜３０５の中央に配置している。歪センサ３０６は、物体からの圧力（把持力の反力）を検出する圧力センサとして機能する。
【００２８】
これらの歪センサはpolydimethylsiloxane(ＰＤＭＳ)製の変形部材３０１に埋め込まれている。水平方向に寝かせた歪センサ３０６の下方には、穴３０７が設けられており、歪センサ３０６が下方に撓むことが可能な構成となっている。平板の根元が最も歪みが大きいため、平板の根本に歪みゲージを貼ることで、効率良く歪みを検出することができる。
【００２９】
なお、歪センサとしては、歪みゲージ以外にも様々な構成を採用することが可能であり、例えば、Micro-Electro-Mechanical Systems(ＭＥＭＳ)技術により、歪みゲージを貼付した平板の代わりにシリコンピエゾカンチレバー等を用いれば、全体のセンサユニットをより微小化することが可能である（特開２００６−２０８２４８号公報参照）。また、水平方向に寝かせた歪センサ３０６は、片持ち梁形状である必要はなく、両端支持梁形状であっても良い。
【００３０】
歪センサの変形軸は、その軸の方向の剪断力あるいは圧力を、最も感度良く検出できる軸であり、歪センサの面に垂直な方向で代表される。たとえば図３では、変形部材３０１の上面に力が加わるのであるから、歪センサ３０２の変形軸は変形部材３０１の上面で歪センサ３０２の直上のｙ方向、歪センサ３０３の変形軸は変形部材３０１の上面で歪センサ３０３の直上のｘ方向となる。歪センサ３０６の変形軸は、ｚ方向で概略歪センサ３０６の中央を貫く軸となる。
【００３１】
ここで、図３におけるｘ、ｙ軸方向の剪断力、およびｚ軸回りのモーメントの３つの力成分を求めることが重要である。そのためには、これら３つの力成分に対して、線形独立な３つの出力が得られるように配置した、３つの歪センサを備える必要がある。この場合の線形独立な３つの出力を得るためには、ｘ軸方向、あるいはｙ軸方向の剪断力を検出する歪センサを、その変形軸が１点で交わらないことが必要である。変形軸が１点で交わる場合には、その点回りのモーメントの検出ができなくなるからである。３つの力成分すべてを検出する必要がない場合は、歪センサの数を減らすこともできる。
【００３２】
図３に示した実施形態では、剪断力を検出する歪センサ３０２〜３０５を、上方から見て十字を描くように４つ配置してある。ｘ、ｙ軸方向の剪断力、およびｚ軸回りのモーメントの３つの力成分を求めるためには、歪センサが一つ余分であるが、このように４つ配置すれば簡単な演算で３つの力成分を求めることができる。また図３の構成であれば、これら４つの歪センサのうち、変形軸が１点で交わらない３つの歪センサを選択することができる。
【００３３】
また３つの力成分のすべてを検出する必要がない場合、たとえば図３に示した実施形態で歪センサ３０３、３０５の２つを用いた場合、ｘ軸方向の剪断力、およびｚ軸回りのモーメントの２つの力成分を求めることができる。
【００３４】
なおここでは、変形部材として、ＰＤＭＳといった弾性体を用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。重要なことは、変形部材が、物体からの力を部分的に吸収し、片持ち梁形状の歪センサが壊れない程度の力を、そのセンサに伝えることである。また、変形部材は、物体からの力のうち、センサに伝える力の割合が予め予測できる部材であることが必要である。つまり、センサが検知した力を用いて、物体がユニット全体に加えた力を導き出せることが重要である。
【００３５】
また、センサを壊さずに、広いレンジで剪断力を検知するためには、物体から小さな力が加わった場合には、その力をできるだけ吸収せずに（高弾性率で）センサに伝え、物体から大きな力が加わった場合には、その力を大きく吸収して（低弾性率で）、小さい力のみセンサに伝えることが望ましい。つまり、大きな力が加わった場合に、歪センサに対して壊れない程度の力にまで減衰させて伝えるが、小さな力が加わった場合には、できるだけ減衰させずに歪センサに力を伝える構成が望ましい。このような構成を実現するため、例えば、変形部材を２相構造としても良い。すなわち、物体との接触面は、比較的剛性の高い、高弾性率の部材を用いて、歪センサの周囲にのみ、剛性の低い、低弾性率の部材を用いてもよい。その場合、全ての歪センサの周囲において、低弾性率の部材を一定の厚みになるように設ければ、物体との接触点と、歪センサとの距離によらずに正確に剪断力を検知することが可能となる。
【００３６】
＜単一のセンサユニットによるモーメントの検出＞
センサアレイに接続された制御ユニット（不図示）は、図３に示すセンサユニット３０１に含まれる複数の歪センサからの検出値により、センサ表面に加えられる剪断力、モーメント、及び圧縮応力を検出することができる。具体的には以下のように検出する。
【００３７】
まず、歪センサ３０２〜３０６が検出した歪みの変化量を、それぞれΔε１、Δε２、Δε３、Δε４、Δε５とおく。このとき、図中ｘ方向の剪断力が加えられた場合、歪センサ３０３、３０５が変形する。これらの歪センサ３０３、３０５は、歪みゲージを貼られた面の向きが逆になっているため、２つの歪みの差分を求めることにより、剪断力を計測できる。すなわち、ｘ方向の剪断力に対応する歪みΔεｘは、
Δεｘ＝（Δε２−Δε４）／２
となる。
【００３８】
同様にして、ｙ方向の剪断力に対応する歪みΔεｙは、
Δεｙ＝（Δε１−Δε３）／２
となる。
【００３９】
また、ｚ方向の圧縮力（物体を把持する際の把持力）に対応する歪みΔεｚは、
Δεｚ＝Δε５
となる。
【００４０】
一方、モーメントが加えられた場合、歪センサ３０２〜３０５の全てが、円周方向同じ向きに変形する。また、歪センサ３０６に変化は生じない。従って、モーメントに対応する歪みΔεｍは、
Δεｍ＝（Δε１＋Δε２＋Δε３＋Δε４）／４
となる。
【００４１】
各歪センサに発生する歪みから、加えられる剪断力やモーメントを容易に導くことができる。例えば、梁が長さＬ[m]、幅ｂ[m]、厚さｈ[m]の薄板であって、歪みゲージの中心が先端からｌ[m]だけ離れた位置に貼付されるとすると、梁の先端に加わる剪断力Ｆ[N]と歪みゲージに発生する歪みεとの関係は、
ε＝６ｌＦ／Ｅｂｈ2で表わされる。
ここで、Ｅは梁の材質のヤング率[Pa]である。
【００４２】
このような式とセンサによる検出値を用いれば、センサユニットに加えられる剪断力、モーメント及び圧縮力をそれぞれ分離して検出できる。
【００４３】
本発明者らは、ヤング率850[kPa]のPDMSを変形部材として用いた20[mm]×20[mm]のセンサユニットに、8[mm]の長さの平板型カンチレバーを図３のように配置したものを実際に製作し、剪断力、モーメント及び把持力に対する特性について調べた。さらに、これらの特性をもとに、センサユニットで物体を把持し、センサユニットの角度を変化させた際のセンサユニットの応答について調べた。
【００４４】
センサユニットの表面にかかるｙ方向の剪断力のみを変化させた場合、y方向の剪断力に対応する歪みのみ大きく変化し、変化率は4．8×10-5 [N-1]となった。また、y方向の剪断力の分解能は、1×10-1［N］となった。それに対し、x方向の剪断力、モーメント、把持力に関しては変化がほとんど見られなかった。これより、y方向の剪断力のみ分離して検出できることが確認された（図４参照）。
【００４５】
一方、把持した物体の重心位置を水平方向に移動させセンサユニットの表面にかかるモーメントのみを変化させた場合、負荷されるモーメントに対し、モーメントに対応する歪みのみ大きく変化し、変化率は5．6×10-3 [(Nm)-1]となった。また、モーメントの分解能は1×10-3[Nm]となった。それに対し、剪断力、把持力に関しては変化がほとんど見られなかった。これより、モーメントのみ分離して検出できることが確認された（図５参照）。
【００４６】
センサユニットの表面にかかる把持力のみを変化させた場合、負荷する把持力に対し、把持力に対応する歪みのみ大きく変化し、変化率は2．6×10-5 [N-1]であった。それに対し、剪断力、モーメントに関しては変化がほとんど見られなかった。これより、把持力のみ分離して検出できることが確認された（図６参照）。
【００４７】
更に、センサユニットで物体を把持した状態で、センサユニットの傾きを変化させ、センサの応答を調べた。センサユニットの検出する剪断力は、実際に負荷されている力をｘ方向の剪断力、y方向の剪断力に成分分解したものに等しくなった。また、モーメント及び把持力に関しては変化がほとんど見られなかった。これより、センサユニットの角度が変化しても、検出されたｘ方向及びｙ方向の剪断力の合成から、実際に負荷されている剪断力を求めることができることが確認された。
【００４８】
＜単一のセンサユニットによる物体重心位置の算出＞
下方向の剪断力の総和が物体の重量ｗなので、重量ｗとモーメントＭとが分かれば、把持している点から重心までの水平方向の距離を、ｄ＝Ｍ／ｗで求めることができる。つまり、把持している点から水平距離に距離の位置にある直線上に重心がある。そこで物体を把持したままで、把持するセンサアレイ（ハンド）の角度を水平方向に対して変化させ、２回、把持した点から重心までの水平方向の距離を検出する。これから求まる２本の直線の交点が重心である。
【００４９】
センサアレイに接続された制御ユニット（不図示）は、単一のセンサユニットが検出した各歪センサの歪みから、モーメントを求め、更に、物体の重心位置を算出する算出手段として機能する。このように単一のセンサユニットの検出値からモーメントを求めるためには、センサユニットが、変形軸が互いに平行でかつ変形軸が異なる２つの歪センサを含んでいればよい。そして、互いに平行な変形軸を持つ２つの歪センサからの出力に基づいて、センサユニットに加えられたモーメントを算出する算出手段として制御ユニットが機能すればよい。
【００５０】
更に、単一のセンサユニットの検出値から物体の重心位置を求めるには、センサユニットが、変形軸が異なりかつ１点で交わらない３つの歪センサを含めばよい。例えば、互いに平行な変形軸を持つ２つの歪センサと、該２つの歪センサとは異なる方向の変形軸を持つ１つの歪センサとを含んでいればよい。３つの歪センサの出力に基づいて、センサユニットに加えられた２軸方向の剪断力とモーメントを算出する算出手段として制御ユニットが機能すればよい。特に制御ユニットは、算出した剪断力とモーメントを用いて、センサユニットに接触している物体の重心位置を算出することが望ましい。
【００５１】
ただし、図３に示すように、４枚の歪センサを剪断力センサとして設ければ、剪断力とモーメントを分離して計算することが容易になるため、計算量が少なくなるという利点がある。
【００５２】
本発明者らは、試作したセンサユニットをロボットハンドに装着し、１つのみのセンサユニットが物体に触れる状態で物体を把持して重心位置の検出を行った（図７）。ロボットハンドに装着したセンサユニットで物体を把持した状態で、角度を変えて２回検出し、その値から重心位置を求めた。この際、重心検出の対象として密度が均一で80g、120g、200gの3種類の物体を把持させた。この物体の把持位置を、重心を中心として水平方向、鉛直方向にそれぞれ、5mmごとに0mmから15mmまで変化させ、計16箇所の把持位置で重心検出を行った。以上の実験の結果、80gの場合は、検出された重心位置と実際の重心位置の誤差は2.5mm以内、120gの場合は、2.0mm以内、200gの場合は1.6mm以内の誤差となった。
【００５３】
＜複数のセンサユニットによるモーメント及び物体重心位置の検出＞
センサアレイを用いて物体を把持する場合、複数のセンサユニットが物体に接触することが多い。その場合、上述のように単一のセンサユニットが物体に接触する場合と異なり、モーメントの中心を求めることが必要となる。
【００５４】
そこで、各センサの中心の座標を各把持力で加重平均した座標（ｘgrip, ｙgrip）をモーメントの中心として重心検出を行う。
【００５５】
図８に示すように、マトリクスセンサの中心を原点とし、水平方向をx軸、鉛直方向をy軸とすると、座標（ｘｉ，ｙｉ）に存在する各センサユニットｉ（ここではｉ＝１〜９）が検出した把持力ｗｉに対して、
（ｘgrip, ｙgrip）=(Σ(wi・xi)/Σwi, Σ(wi・yi)/Σwi,)
としてモーメント中心（ｘgrip, ｙgrip）を求める。
【００５６】
各センサで検出されるｘ方向剪断力Ｆx,i及びｙ方向剪断力Ｆy,iと、各センサからモーメント中心（ｘgrip, ｙgrip）までのｘ軸方向の距離ｄx,i及びｙ軸方向の距離ｄy,iとに基づき、この点に及ぼすモーメントを計算し総和をとることにより、把持の中心周りのモーメントＭが以下のように求まる。
Ｍ = Σ(Ｆx,i・ｄx,i + Ｆy,i・ｄy,i)
【００５７】
以上より、重心のｘ座標Ｘは、以下のように定まる。
Ｘ＝ｘgrip + Ｍ／Ｆy
なお、Ｆyは、各センサで検出されるｙ方向剪断力Ｆy,iの総和ΣＦy,iであり、物体の重量ｗに等しい。
【００５８】
重心のｘ座標が求まれば、物体を把持したままで、把持するセンサアレイ（ハンド）の角度を水平方向に対して変化させ、２回、把持した点から重心までの水平方向の距離を検出する。これから求まる２本の直線の交点が重心である。
【００５９】
センサアレイを用いて２つ以上のセンサユニットで物体と接触しつつ、物体を把持する場合、個々のセンサユニットには、少なくとも２軸の剪断力を検出できるようにカンチレバーを配置すれば、それら２つのセンサユニットから検出された２軸の剪断力、つまり合計４つの剪断力を用いて、物体の重心位置を求めることができる。
【００６０】
なお、多くの場合、把持した物体の形状の中心は重心位置に近い。従って、多点で把持した場合の圧力中心は、形状中心に近いので、その圧力中心を用いて計算を行なうと重心位置算出時の誤差を少なくすることができる。
【００６１】
本発明者らは、図９に示すように、センサユニットを3×3に配置したマトリクスセンサをリニアアクチュエータに装着して物体を把持し、重心までの水平距離を算出する実験を行なった。重心までの水平方向を検出する際、物体の重量は1.5kgとし、物体の把持する位置を50mmずつ変化させた。その結果、10mmの誤差で物体の重心を検出できることが確認できた。
【００６２】
本実施形態によれば、複数のセンサユニットを配置することにより、複雑な形状をした物体に対しても剪断力、モーメント、圧力が測定可能となる。また、従来の剪断力検出センサに比べ、カンチレバーの配置の仕方が特徴的であり、また構造が単純である。このセンサを用いると剪断力、モーメント、圧力を簡単な処理で算出することが可能である。また、構造が単純なため、集積化が容易である。
【００６３】
複数のセンサユニットが同時に接触した状態で把持する場合、効率的に物体の重心を算出でき、かつ、物体に対して、単一のセンサユニットのみが接触した場合でも、センサの圧力情報から接触状態を判断し、剪断力やモーメントを算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサアレイを適用可能なロボットを示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るセンサアレイの概略形状を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るセンサアレイに含まれるセンサユニットの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るセンサユニットの性能を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るセンサユニットの性能を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るセンサユニットの性能を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る単一のセンサユニットによる重心位置検出方法を説明するための図である。
【図８】本発明の実施形態に係るセンサアレイによる重心位置検出方法を説明するための図である。
【図９】本発明の実施形態に係るセンサアレイによる重心位置検出方法を説明するための図である。
【図２】
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【図１】
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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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