(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）骨格に巻付けられる電力供給用コイルとセンシング用コイルとをコイルアレイの各サイトに備えるとともに、回路を有する帯状フィルムと、
（ｂ）該帯状フィルム上を被覆するように装着する、複数の無線触覚素子が埋め込まれた柔軟体からなる人工皮膚とを備え、
（ｃ）前記無線触覚素子は前記帯状フィルムの電力供給用及びセンシング用コイルとの誘導結合により触覚を無線伝送することを特徴とする触感検知システム。
【請求項２】
請求項１記載の触感検知システムにおいて、前記無線触覚素子が前記触覚を前記人工皮膚内部の空洞の空気の圧力によって捉えることを特徴とする触感検知システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工皮膚を有する触感検知システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、本願発明者らは、大面積の柔らかい人工皮膚を実現するために、電気配線が不要な触覚素子を利用する技術と、そのための触覚素子の開発を行ってきた（例えば、特開平１１−２４５１９０号公報参照）。
【０００３】
また、本発明に関連する先行論文としては、下記のものが挙げられる。
【０００４】
（１）Ｍ．Ｈａｋｏｚａｋｉ，Ｈ．Ｏａｓａ  ａｎｄ  Ｈ．Ｓｈｉｎｏｄａ：Ｔｅｌｅｍｅｔｒｉｃ  Ｒｏｂｏｔ  Ｓｋｉｎ，Ｐｒｏｃ．１９９９  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｐｐ．９５７−９６１，１９９９．
（２）Ｈ．Ｓｈｉｎｏｄａ  ａｎｄ  Ｈ．Ｏａｓａ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｔａｃｔｉｌｅ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｕｓｉｎｇ  Ｓｔｒｅｓｓ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ  Ｔｒａｎｓ．ｏｎ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．３，ｐｐ．２５８−２６５，２０００．
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の技術では、触覚素子についてのみ示され、それを用いて実際に大面積の人工皮膚を得る触感検知システムを実現するまでには、到達していなかった。
【０００６】
本発明は、上記状況を鑑みて、大面積の人工皮膚を有する触感検知システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕触感検知システムにおいて、骨格に巻付けられる電力供給用コイルとセンシング用コイルとをコイルアレイの各サイトに備えるとともに、回路を有する帯状フィルムと、この帯状フィルム上を被覆するように装着する、複数の無線触覚素子が埋め込まれた柔軟体からなる人工皮膚とを備え、前記無線触覚素子は前記帯状フィルムの電力供給用及びセンシング用コイルとの誘導結合により触覚を無線伝送することを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の触感検知システムにおいて、前記無線触覚素子が前記触覚を前記人工皮膚内部の空洞の空気の圧力によって捉えることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施例を示す人工皮膚を有する触感検知システムの構成を示す模式図である。
【００１１】
この図において、１はロボットの骨格、１１はコイルアレイを有する帯状フィルム、２１は帯状フィルム１１上に装着される無線触覚素子（センサチップ）２３が埋め込まれた柔軟体２２からなる人工皮膚である。
【００１２】
そこで、コイルアレイと回路を作り込んだ帯状フィルム１１をロボットの骨格１に巻き付ける。その後で無線触覚素子（センサチップ）２３が埋め込まれた柔軟体２２からなる人工皮膚２１を、帯状フィルム１１上を被覆するように装着する。
【００１３】
すなわち、帯状フィルム１１をロボット骨格１上にしっかりと装着する。この帯状フィルム１１は、人工皮膚２１に含まれる無線触覚素子（センサチップ）２３に電気入力し、誘導結合を介して無線触覚素子（センサチップ）２３との間で信号を授受する。帯状フィルム１１上の各サイトは独立して駆動されるため、帯状フィルム１１が重なり合うことも許される。これにより、帯状フィルム１１はロボット骨格１表面のさまざまな形状に対応できる。その後、帯状フィルム１１上に無線触覚素子（センサチップ）２３が埋め込まれた柔軟体２２からなる人工皮膚２１を、被覆するように装着する。
【００１４】
図２は本発明の実施例を示すコイルアレイを有する帯状フィルムの構造を示す図であり、図２（ａ）はその帯状フィルムの平面図、図２（ｂ）はその帯状フィルムのコイルアレイのサイトの模式構成図である。
【００１５】
図２に示すように、帯状フィルム１１のコイルアレイ１２の各サイト１２Ａは、電力供給用コイル１３とセンシング用グランドコイル（信号受信コイル）１４、電力供給用コイル１３を駆動するコイルドライバー１５、センシング用グランドコイル１４の信号を増幅する信号増幅器１６と、処理回路から任意にアクセスするための集積回路とを有している。この帯状フィルム１１に接続したコンピュータ（図示なし）が各サイトに任意にアクセスし、アクセスしたサイトの近傍に存在するセンサ信号を読み取る。
【００１６】
図３は本発明の実施例を示す柔軟体からなる人工皮膚に実装される無線触覚素子〔センシングエレメント：センサチップ（触覚センサ及びセンシング回路）〕の構造を示す図、図４はその実装状態を示す図、図５はそのセンシング回路の全体構成図、図６はそのセンサチップの動作原理図である。
【００１７】
図３に示すように、柔軟体（プラスチック本体）２２からなる人口皮膚２１内に無線触覚素子２３を実装する。
【００１８】
その実装状態は、図４に示すように、ロボットの骨格１上にグランドコイル（１３，１４）を有する帯状コイル１１が装着され、その上を被覆するように、空洞２４を有する柔軟体（プラスチック本体）２２からなる人口皮膚２１が装着される。なお、グランドコイルは電力供給用グランドコイル１３とセンシング用グランドコイル１４からなる。２５は人工皮膚表面である。
【００１９】
そこで、無線触覚素子２３は、図５に示すように、電力供給用グランドコイル１３と結合される電力受信用コイル３１、ダイオード３２，３３、ダイオード３２に接続されるコンデンサ３４、ダイオード３３に接続されるコンデンサ３５と抵抗３６の並列回路と、その並列回路の負荷側に接続される正論理インバータ（Ｇ1 ）３７とＥＣＭ（電気コンデンサマイクロフォン）３８とコンデンサ３９と正論理シュミットインバータ（Ｇ2 ）４０とＮＡＮＤ回路（Ｇ3 ）４１とＪＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）４２と信号送信コイル４３とからなり、電力供給用グランドコイル１３との誘導結合を介し空洞内圧をセンシング用グランドコイル１４へ送信する。
【００２０】
次に、インパルス発生のメカニズムを以下に示す。
【００２１】
入力を停止した後、図６におけるＧ１の出力が、時間遅延ｔR で上昇する。ＥＣＭ３８は、ＪＦＥＴ４２を用いて電流を空気圧制御するものであり、このＥＣＭ３８を通ってきた電流は、Ｇ３の入力の上昇のための時間遅延Δｔを変化させる。Ｇ３がＭＯＳ電流を停止すると、インパルスが発生する。図６に示すＡ２における電圧は次のように示される。
【００２２】
Ｖ＝（ＩM ／Ｃ）ｔ                                  …（１）
ここで、ＩM はＥＣＭを流れる電流、αはＥＭＣの定数、Ｐは空気圧である。従って、遅延時間Δｔは、
Δｔ＝ＣＶTh／ＩM                                   …（２）
である。
【００２３】
ここではインパルス幅を無視しており、ＶThは、シュミット回路インバータの正の閾値電圧である。インパルスは、アクセスしたサイトのセンシングコイルで検知し、そのサイトにおいて増幅される。
【００２４】
次いで、遅延を測定する。チップ毎に異なるｔR を付与することにより、多数のチップを同定する。
【００２５】
センサチップ２３が、人口皮膚の空洞２４の空気圧を、無線により伝送する。電気入力と信号伝送は、センサチップ２３と帯状フィルム１１上の電気入力コイル間の誘導結合を介して行われる。
【００２６】
触覚感知の原理を示すと、まず、コンピュータが帯状フィルム１１上のコイルアレイの１サイトを指定し、帯状フィルム１１のコイルドライバー１５を動作させることにより、そのサイト近傍に存在するセンサチップ２３に電気入力する。センサチップ２３上のコンデンサに充電し終わると、入力を停止する。次に、センサチップ２３は、入力停止後、一定の時間遅延を有するインパルスを発生する。図６に示すように、時間遅延は空洞の空気圧を反映するので、この時間遅延から空洞の空気圧が得られる。
【００２７】
すなわち、図６に示すように、入力端子Ａ１、中間端子Ａ２及び出力端子Ａ３でのそれぞれ波形を示すように、センサチップ２３上のＥＣＭ３８上を流れる電流が空気圧で変化する。その結果、パルスの発生時刻Δｔが変化する。この時間遅れが触覚信号となる。
【００２８】
以下、その動作を詳細に説明する。
【００２９】
図７はセンシング回路の各部の動作フローチャートである。
【００３０】
まず、図７（ａ）に示すように、電力入力信号を停止させる。
【００３１】
次に、図７（ｂ）に示すように、抵抗Ｒの電圧ＶR2が低くなる。
【００３２】
次に、図７（ｃ）に示すように、時間ｔR 後にＧ1 の出力が上昇する。
【００３３】
次に、図７（ｄ）に示すように、Ｇ2 の入力がＧ2 閾値電圧Ｖthまで上昇する。
【００３４】
次に、図７（ｅ）に示すように、Ｇ2 が立ち下がる。
【００３５】
次に、図７（ｆ）に示すように、Ｇ2 が上昇し、ＭＯＳＦＥＴをオンにする。
【００３６】
次に、図７（ｇ）に示すように、ＦＥＴドレイン電流が減少する。
【００３７】
次に、図７（ｈ）に示すように、コイル回路がＭＯＳＦＥＴによって停止されると、インパルスがグランドセンシングコイルによって検知される。
【００３８】
次に、１次元フィルムコイルの構成について説明する。
【００３９】
図８は本発明の実施例を示すコイルアレイを有する帯状フィルムの構成図であり、図８（ａ）はその配置図、図８（ｂ）はそのブロック図である。
【００４０】
これらの図において、５１はＰＬＤ（プログラマブル・ロジック・デバイス）処理回路であり、信号発生器５２とカウンタ５３から構成されている。５４はデジタルＩ／Ｏ、５５はコンピュータである。
【００４１】
この図に示すように、８サイトに１つのＰＬＤ処理回路５１を配置する。ＰＬＤ処理回路５１はコンピュータ５５が指定したサイトに励起信号を送り、ＰＬＤ処理回路５１が測定した遅延時間Δｔをコンピュータ５５に送る。ＰＬＤ処理回路５１のクロックは４０ＭＨｚであり、Δｔは解像度２５ｎｓで測定する。
【００４２】
このように、８つのコイルサイトに対して１つのＰＬＤ処理回路５１が配置され、電力供給用信号の生成と、センサ出力のカウント及びコンピュータ５５との間の調整を行う。
【００４３】
以下、本発明の触感検知システムの具体例について説明する。
【００４４】
コイルとセンシングチップを有する帯状フィルムの写真を図９に示す。
【００４５】
右側の四角いプリントパターンは、入力コイル、コイルドライバー、センシングコイル、増幅器を有するセンシングサイトである。入力コイルとセンシングコイルは、巻数が１０、外形サイズ４０×４０ｍｍである。入力電圧は、１．５ＭＨｚで５Ｖである。センシングコイルの電圧は５０倍に増幅され、ＰＬＤ処理回路へ送られる。
【００４６】
センサチップの写真を図１０に示す。電気受信コイルの直径、高さ、巻数はそれぞれ、２２ｍｍ、１ｍｍ、５０回である。また、これに対する信号伝送コイルのパラメーターはそれぞれ、１２ｍｍ、１ｍｍ、３０回である。センサチップの電気回路を図１１に示す。
【００４７】
図１１において、電力供給用グランドコイル１３と結合される電力受信用コイル６１（５０ターン）、ダイオード６２，６３、ダイオード６２に接続されるコンデンサ６４（０．１μｍ）と定電圧ダイオード、ダイオード６３に接続されるコンデンサ６６（１００ｐＦ）と抵抗６７（１００ｋΩ）の並列回路と、その並列回路の負荷側に接続される正論理インバータ（Ｇ１）６９とＥＣＭ（電気コンデンサマイクロフォン）７０とダイオード７１とコンデンサ７２（２２００ｐＦ）と正論理インバータ（Ｇ２）７３とＮＡＮＤ回路（Ｇ３）７４（２５Ｋ６８０Ａ）とＪＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）７５と信号送信コイル７６（３０ターン）とからなり、電力供給用グランドコイル１３との誘導結合を介し空洞内圧をセンシング用グランドコイル１４へ送信する。
【００４８】
１つのセンシング空洞を含む試験用の人工皮膚を用いて行った、基礎的な実験データを示す。
【００４９】
図１２に示すように、シリコンゴム製の３０×３０×１５ｍｍの空洞に、１つのセンサチップを配置する。このシリコンゴムを１次元フィルムコイルアレイ上に載置すると、センシングコイルは、図１３に示すようなセンサ信号を検知した。人工皮膚に触れると、図１４に示すように、時間遅延が移動した。
【００５０】
図１５は、圧力感知の動的信号を示す。試験用人工皮膚に４回触れた時、５００Ｈｚでサンプリングしたインパルスの遅延Δｔをプロットしたものである。これらの結果は、フィルムコイルアレイの感知システムが試験用人工皮膚からの触覚信号を検出したことを示している。
【００５１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、大面積の人工皮膚を有する触感検知システムを提供することができる。
【００５３】
また、誘導結合による無線伝送による触感を得る人工皮膚を有する触感検知システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す人工皮膚を有する触感検知システムの構成を示す模式図である。
【図２】  本発明の実施例を示すコイルアレイを有する帯状フィルムの構造を示す図である。
【図３】  本発明の実施例を示す柔軟体からなる人工皮膚に実装される無線触覚素子〔センシングエレメント：センサチップ（触覚センサ及びセンシング回路）〕の構造を示す図である。
【図４】  本発明の実施例を示す人工皮膚のキャビティの空気圧測定エレメントを示す図である。
【図５】  本発明の実施例を示すセンシング回路の全体構成図である。
【図６】  本発明の実施例を示すセンサチップの動作原理図である。
【図７】  本発明の実施例を示すセンシング回路の各部の動作フローチャートを示す図である。
【図８】  本発明の実施例を示すコイルアレイを有する帯状フィルムの構成図である。
【図９】  本発明の具体例を示すコイルとセンシングチップを有する帯状フィルムの写真を示す図である。
【図１０】  本発明の具体例を示すセンサチップの写真を示す図である。
【図１１】  本発明の具体例を示すセンサチップの電気回路を示す図である。
【図１２】  本発明の具体例を示す人工皮膚の写真を示す図である。
【図１３】  本発明の具体例を示すセンシングコイルによるセンサ信号を示す図である。
【図１４】  本発明の具体例を示す人工皮膚のグランドセンシングコイルの出力信号を示す図である。
【図１５】  本発明の具体例を示す人工皮膚の圧力感知の動的信号を示す図である。
【符号の説明】
１    ロボットの骨格
１１    コイルアレイを有する帯状フィルム
１２    コイルアレイ
１２Ａ    コイルアレイの各サイト
１３    電気入力コイル（電力供給用グランドコイル）
１４    信号受信コイル（センシング用グランドコイル）
１５    コイルドライバー
１６    信号増幅器
２１    人工皮膚
２２    柔軟体
２３    無線触覚素子（センサチップ）
２４    空洞
２５    人工皮膚表面
３１    電力受信用コイル
３２，３３    ダイオード
３４，３５，３９    コンデンサ
３６    抵抗
３７    正論理インバータ（Ｇ１）
３８    ＥＣＭ（電気コンデンサマイクロフォン）
４０    正論理インバータ（Ｇ２）
４１    ＮＡＮＤ回路（Ｇ３）
４２    ＪＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）
４３    信号送信コイル
５１    ＰＬＤ（プログラマブル・ロジック・デバイス）処理回路
５２    信号発生器
５３    カウンタ
５４    デジタルＩ／Ｏ
５５    コンピュータ
【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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