(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサと、
前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置を演算する第１の圧力中心演算手段と、
前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置を演算する第２の圧力中心演算手段と、
前記第１の圧力中心演算手段により演算された前記第１の圧力中心位置と、前記第２の圧力中心演算手段により演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りを検出する滑り検出手段と
を備える検出装置。
【請求項２】
前記滑り検出手段は、前記第１の圧力中心位置と前記第２の圧力中心位置の差に基づいて、前記滑りを検出する
請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記滑り検出手段は、前記第１の圧力中心位置と前記第２の圧力中心位置の差に基づいて、前記圧力センサに加えられたせん断力を検出する
請求項１に記載の検出装置。
【請求項４】
前記滑り検出手段は、前記第１の圧力中心位置と前記第２の圧力中心位置の推移から得られる、前記第１の圧力値と前記第２の圧力値の伝播速度の差に基づいて、前記滑りを検出する
請求項１に記載の検出装置。
【請求項５】
前記第１および第２の検出部は、それぞれ、複数のエレメントで構成されており、
前記第１の圧力中心演算手段は、前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、前記圧力センサへの物体の接触検出を行った前記第１の検出部のエレメントを検出し、そのエレメントからの第１の圧力値を用いて、前記第１の圧力中心位置を演算し、
前記第２の圧力中心演算手段は、前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、前記圧力センサへの物体の接触検出を行った前記第２の検出部のエレメントを検出し、そのエレメントからの第２の圧力値を用いて、前記第２の圧力中心位置を演算する
請求項１に記載の検出装置。
【請求項６】
前記圧力センサは、その表面に粘弾性材料で構成される第２の粘弾性体を有する
請求項１に記載の検出装置。
【請求項７】
前記第２の粘弾性体は、薄膜のシリコンゴムである
請求項６に記載の検出装置。
【請求項８】
前記第１の粘弾性体は、静電シールド材料が混合されて成形されている
請求項１に記載の検出装置。
【請求項９】
外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサと、
前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置を演算する第１の圧力中心演算手段と、
前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置を演算する第２の圧力中心演算手段と、
前記第１の圧力中心演算手段により演算された前記第１の圧力中心位置と、前記第２の圧力中心演算手段により演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りを検出する滑り検出手段と、
前記滑り検出手段により検出された前記滑りに基づいて動作を制御する制御手段と
を備えるロボット装置。
【請求項１０】
外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサと、
前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置を演算する第１の圧力中心演算手段と、
前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置を演算する第２の圧力中心演算手段と、
前記第１の圧力中心演算手段により演算された前記第１の圧力中心位置と、前記第２の圧力中心演算手段により演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りを検出する滑り検出手段と
を備える入力装置。
【請求項１１】
１または複数のアクチュエータにより駆動されるロボット装置であって、
外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサと、
前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置を演算する第１の圧力中心演算手段と、
前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置を演算する第２の圧力中心演算手段と、
前記第１の圧力中心演算手段により演算された前記第１の圧力中心位置と、前記第２の圧力中心演算手段により演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りを検出する滑り検出手段と、
前記滑り検出手段により検出された前記滑りに基づいて特定のアクチュエータを制御する制御手段と
を備えるロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出装置、ロボット装置、および入力装置に関し、特に、ロボットハンドによる物体の安定把持、器用な操りなどで必要な滑りの情報を取得することができるようにした検出装置、ロボット装置、および入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な触覚センサは、以下の５種類に分類される。
【０００３】
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。
【０００４】
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、モータ電位センサ、バネ変位センサなどが挙げられる。
【０００５】
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、集積化半導体圧力センサなどが挙げられる。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
ところで、ロボットハンドによる物体の安定把持、器用な操りなどの複雑な制御を行うためには、把持物体と指先間の滑りなど、把持状態を取得する必要がある。
【０００９】
上述した触覚センサのうち、把持状態取得のための触覚センサとして、例えば、特許文献１には、分布型圧力センサと柔軟な粘弾性体を組み合わせた多層構造のセンサが記載されている。
【００１０】
また、特許文献２には、感圧素子および圧電素子で構成され、圧電素子の波形分析を行うことで滑り覚の検出を、また、感圧素子で力覚の検出を実現する検出センサが記載されている。
【００１１】
さらに、特許文献３には、垂直方向の圧力を検出する素子とせん断方向の圧力を検出する素子の各接触端子がセンサ表面で重なり合わないように配置されており、それらから検出されたせん断力と垂直な力に基づいて滑り覚を求める触覚センサが記載されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−４７１４５号公報
【特許文献２】特開２００６−１０４０７号公報
【特許文献３】特開２００４−２２６３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１のセンサで計測されているものは、押下されている物体の形状または力学性質（対象物の弾性や粘弾性）であり、滑り覚を求めているものではなかった。また、特許文献２のセンサで検知されているものは、スティックスリップに伴う振動であるため、滑ること自体を検出することができたとしても、滑りの方向を検知することは困難であった。
【００１４】
なお、特許文献３のセンサでは、滑り覚が求められているが、この滑り覚は、せん断方向の圧力を用いて求められる、対象物との摩擦によるスティックスリップ振動に基づく滑り覚である。すなわち、せん断方向の圧力の信号がある周波数の範囲で発生したときに滑り覚としているものである。
【００１５】
以上のように、従来においては、様々な種類の触覚センサが存在するが、ロボットハンドによる物体の安定把持、器用な操りなどの複雑な制御を行うために必要な把持物体と指先間の滑りを取得するセンサは、特許文献３に示された対象物との摩擦によるスティックスリップ振動に基づく滑り覚を取得するセンサ以外には、あまり見当たらなかった。
【００１６】
したがって、他にも、ロボットハンドによる物体の安定把持、器用な操りなどで必要な滑りの情報を、より確実に取得する提案が早急に必要とされていた。
【００１７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ロボットハンドによる物体の安定把持、器用な操りなどで必要な滑りの情報をより確実に取得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】
【００１８】
本発明の第１の側面の検出装置は、外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサと、前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置を演算する第１の圧力中心演算手段と、前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置を演算する第２の圧力中心演算手段と、前記第１の圧力中心演算手段により演算された前記第１の圧力中心位置と、前記第２の圧力中心演算手段により演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りを検出する滑り検出手段とを備える。
【００２０】
前記滑り検出手段は、前記第１の圧力中心位置と前記第２の圧力中心位置の差に基づいて、前記滑りを検出することができる。
【００２１】
前記滑り検出手段は、前記第１の圧力中心位置と前記第２の圧力中心位置の差に基づいて、前記圧力センサに加えられたせん断力を検出することができる。
【００２２】
前記滑り検出手段は、前記第１の圧力中心位置と前記第２の圧力中心位置の推移から得られる、前記第１の圧力値と前記第２の圧力値の伝播速度の差に基づいて、前記滑りを検出することができる。
【００２９】
前記第１および第２の検出部は、それぞれ、複数のエレメントで構成されており、前記第１の圧力中心演算手段は、前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、前記圧力センサへの物体の接触検出を行った前記第１の検出部のエレメントを検出し、そのエレメントからの第１の圧力値を用いて、前記第１の圧力中心位置を演算し、前記第２の圧力中心演算手段は、前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、前記圧力センサへの物体の接触検出を行った前記第２の検出部のエレメントを検出し、そのエレメントからの第２の圧力値を用いて、前記第２の圧力中心位置を演算することができる。
【００３０】
前記圧力センサは、その表面に粘弾性材料で構成される第２の粘弾性体を有することができる。
【００３１】
前記第２の粘弾性体は、薄膜のシリコンゴムであるようにすることができる。
【００３２】
前記第１の粘弾性体は、静電シールド材料が混合されて成形されているようにすることができる。
【００３４】
本発明の第２の側面のロボット装置は、外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサと、前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置を演算する第１の圧力中心演算手段と、前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置を演算する第２の圧力中心演算手段と、前記第１の圧力中心演算手段により演算された前記第１の圧力中心位置と、前記第２の圧力中心演算手段により演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りを検出する滑り検出手段と、前記滑り検出手段により検出された前記滑りに基づいて動作を制御する制御手段とを備える。
本発明の第３の側面の入力装置は、外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサと、前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置を演算する第１の圧力中心演算手段と、前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置を演算する第２の圧力中心演算手段と、前記第１の圧力中心演算手段により演算された前記第１の圧力中心位置と、前記第２の圧力中心演算手段により演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りを検出する滑り検出手段とを備える。
本発明の第４の側面のロボット装置は、１または複数のアクチュエータにより駆動されるロボット装置であって、外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサと、前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置を演算する第１の圧力中心演算手段と、前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置を演算する第２の圧力中心演算手段と、前記第１の圧力中心演算手段により演算された前記第１の圧力中心位置と、前記第２の圧力中心演算手段により演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りを検出する滑り検出手段と、前記滑り検出手段により検出された前記滑りに基づいて特定のアクチュエータを制御する制御手段とを備えるロボット装置である。
本発明の第１の側面の検出装置においては、外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサが設けられ、前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置が演算され、前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置が演算され、演算された前記第１の圧力中心位置と、演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りが検出される。
本発明の第２の側面のロボット装置においては、外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサが設けられ、前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置が演算され、前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置が演算され、演算された前記第１の圧力中心位置と、演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りが検出され、その滑りに基づいて動作が制御される。
本発明の第３の側面の入力装置においては、外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサが設けられ、前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置が演算され、前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置が演算され、演算された前記第１の圧力中心位置と、演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りが検出される。
本発明の第４の側面のロボット装置においては、外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体を、圧力を検出する第１の検出部と第２の検出部で挟むことにより構成される圧力センサが設けられ、前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置が演算され、前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置が演算され、演算された前記第１の圧力中心位置と、演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りが検出され、検出された前記滑りに基づいて特定のアクチュエータが制御される。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、ロボットハンドによる物体の安定把持、器用な操りなどで必要な滑りの情報をより確実に取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
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。したがって、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。
【００３７】
本発明の第１の側面の検出装置は、
外部からの荷重により変形し、応力分散を生じさせる第１の粘弾性体（例えば、図３の変形部４１）を、圧力を検出する第１の検出部(例えば、図３の圧力検出部４２−１)と第２の検出部（例えば、図３の圧力検出部４２−２)で挟むことにより構成される圧力センサ（例えば、図３のセンサ２１）と、
前記第１の検出部により検出された第１の圧力値を用いて、第１の圧力中心位置を演算する第１の圧力中心演算手段と、
前記第２の検出部により検出された第２の圧力値を用いて、第２の圧力中心位置を演算する第２の圧力中心演算手段と、
前記第１の圧力中心演算手段により演算された前記第１の圧力中心位置と、前記第２の圧力中心演算手段により演算された前記第２の圧力中心位置とに基づいて、滑りを検出する滑り検出手段（例えば、図６の信号処理部５３）と
を備える。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
ロボットハンドマニピュレータは、図１の左側に示すように、ロボットハンド１とロボットハンド１を支持する支持部２で構成されている。
【００４２】
ロボットハンド１は、実際に動作する部分としての肩関節部１１−１、上腕部１１−２、肘関節部１１−３、前腕部１１−４、手首部１１−５、および手部１１−６などからなる（なお、これらを個々に区別する必要がない場合、関節部１１と称する）。
【００４３】
ロボットハンド１の上腕部１１−２および前腕部１１−４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の右側に拡大して示すように、ロボットハンド１の手部１１−６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１１−６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関節の間には、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関節の間には、センサ２１−８、そして第２関節と第３関節の間には、センサ２１−９がそれぞれ設けられている。
【００４４】
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２１−１０、第１関節と第２関節の間には、センサ２１−１１、そして第２関節と第３関節の間には、センサ２１−１２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２１−１３、第１関節と第２関節の間には、センサ２１−１４、そして第２関節と第３関節の間には、センサ２１−１５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２１−１６、第１関節と第２関節の間には、センサ２１−１７、そして第２関節と第３関節の間には、センサ２１−１８がそれぞれ設けられている。
【００４５】
ロボットハンド１に設けられたセンサ２１−１乃至２１−１８（なお、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。他の場合においても同様である）は、そのセンサ面に垂直な法線力（例えば、圧力）のみを検出する静電容量型圧力センサで構成され、その表面に、人間の皮膚のような柔らかさを有する粘弾性体を有している。この粘弾性体は、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、それによって内部のセンサ２１に対して圧力が拡散される。
【００４６】
センサ２１は、粘弾性体に物体が接触した際に、その拡散された圧力値（以下、分布圧力値とも称する）を検出し、検出した分布圧力値に基づいて、ロボットハンド１による物体の安定把持、器用な操りなどの複雑な制御を行うために必要な把持情報である、把持物体と指先間の滑りを検出する。
【００４７】
本実施の形態の把持、操りにおける「滑り」とは、次のように定義される。
【００４８】
一般的には、指と対象物の間の相対運動を「滑り」と呼ぶ。この相対運動には大きく分けて、「並進運動」と「回転運動」の２つがあり、前者の「並進運動」は、把持接触点における把持力（法線力）と直交する方向（せん断方向、接線方向）への運動であり、後者の「回転運動」は、接触を保ちながら回転移動する「転がり運動」と、把持接触点の「法線軸まわりの回転運動」である。これらを、それぞれ、並進滑り、回転滑りと呼んで区別するが、これらは、同時に組み合わさって発生することが多い。
【００４９】
また一方で、把持の安定性やロバスト性などを考慮すると、指先は柔軟な構造とすることが望ましい。この柔軟な指先で対象物を把持している際に対象物へのせん断力を加えていくと、接触領域の外周部から徐々に相対運動が生じて、固着領域と滑り領域が混在する「初期局所滑り」が発生する。さらに、せん断力を加えていくと、ある点を境にして、動摩擦係数に支配される運動状態（狭義の「滑り」）に至る。この滑り出しに相当する「初期局所滑り」時には、振動が発生するため、その観測が可能である。さらに、初期局所滑りに至る前の段階において、指先と対象物の接触領域は略不変であるものの、柔軟素材が変形して「ずれ」が発生する状態も存在する。
【００５０】
把持、操りにおいて、指と対象物の間の完全な相対運動のみを基に制御していたのでは制御の遅れによりうまく実現できないことが多い。したがって、「滑り」を予知し、未然に防ぐことも重要であると考え、上記の「初期局所滑り」および「ずれ」も含めたものまでを広義の「滑り」と呼ぶことにする。
【００５１】
なお、図１のセンサ２１においては、このように定義される「滑り」のうち、「初期局所滑り」および「ずれ」を含めた「並進運動」と「回転運動」を検出することができる。
【００５２】
ロボットハンドマニピュレータは、検出された把持物体と指先間の滑りに基づき、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。
【００５３】
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。
【００５４】
図２は、センサ２１の外観の構成例を示す斜視図である。
【００５５】
センサ２１は、大きく分けて、物体が触れる部分であって、変形する材料で構成されている入力部３１、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の検出結果などを、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６）などに出力する外部接続部３３により構成されている。
【００５６】
図２の例において、入力部３１は、入力面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、この入力面３１ａと平行な面を、ｘｙｚ座標系のｘｙ平面とし、入力面３１ａに垂直な方向をｚ軸方向として説明する。
【００５７】
図３は、図２のセンサ２１の内部構造を示している。図３の上側には、センサ２１を真上から見た上面図が、図３の下側には、センサ２１の側面断面図がそれぞれ示されている。
【００５８】
入力部３１は、大きく分けて、変形部４１および２個の圧力検出部４２−１，４２−２（なお、これらを個々に区別する必要がない場合、圧力検出部４２と称する）からなり、圧力検出部４２−１を最上層、変形部４１を中層、圧力検出部４２−２を最下層とする３層構造を含む構成となっている。すなわち圧力検出部４２−１と圧力検出部４２−２が、変形部４１を挟むように配置された多層構造を有する。なお、図３上側において入力部３１、圧力検出部４２−１および変形部４１は、内部構成がわかるように、段階的に透過された状態で示されている。
【００５９】
変形部４１は、例えば、シリコンゲル材料のような粘弾性特性を有する粘弾性材料（粘弾性体）で構成されており、外部からの荷重により容易に変形が可能である。
【００６０】
粘弾性材料には、耐熱、耐寒、しゅう動、耐摩擦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できる。
【００６１】
また、固定部３２との境界は拘束面になっており、接着や一体成形により固着されている。そのため、ゴム材料同等の非圧縮性から、例えば、側面や上面の一部が膨らむ、いわゆるバルジング現象を起こすこととなり、その形は、荷重値や入力面形状により様々な特徴をあらわすことが、出願人による実験の結果、認められている。
【００６２】
図４は、変形部４１に用いられる粘弾性材料の圧縮および引張特性の例を示している。
【００６３】
縦軸は、粘弾性材料に働く荷重（外力）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。
【００６４】
この例では、ひずみが生じていない状態（すなわち、ひずみが0％のとき）から圧縮の荷重が加わると、ひずみは、約-90%まで変化し、応力は、ひずみが約-50%となるまでは、マイナス方向（図中下方向）に少しずつ増加し、ひずみが約-60%を超えてから、急激に増加する。
【００６５】
一方、ひずみが0%のときから引張の荷重が加わると、ひずみは、400％まで変化し、応力は、その間、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。なお、この例の場合、400％以上のひずみについては計測されていないが、ひずみは、ある程度まで400％を越えて変化し、応力も、同様に増加するものと考えられる。
【００６６】
図３に戻り圧力検出部４２は、例えば、静電容量変化を利用して、圧力を検出する静電容量型圧力センサなどで構成されている。
【００６７】
変形部４１の変形によって応力緩和や応力分散が生じ、内部の圧力検出部４２に対して圧力が拡散されるので、粘弾性体の変形による補間特性に基づき、圧力検出部４２は、静電容量型圧力センサの空間分解能以上のセンシング性能を得ることができる。
【００６８】
図５は、図３の圧力検出部４２−１の詳細を示している。
【００６９】
圧力検出部４２−１は、例えば、フレキシブル基板５１−１上にマトリクス状に配置された複数の圧力検出素子（以下、センサエレメントとも称する）５２−１により構成される。すなわち、圧力検出部４２−１で構成されるセンサは、静電容量型圧力センサであり、分布型圧力センサとも呼ばれる。なお、図５の例においては、説明の便宜上、１つのセンサエレメントに符号を付し、他のセンサエレメントの符号は省略されている。
【００７０】
図５の例の場合、圧力検出部４２−１は、縦21列×横8行の168個のセンサエレメント５２−１により構成されており、センサエレメント５２−１の各列および各行からは、それぞれ、引き出し線が信号処理部５３−１に入力されている。これらの各センサエレメント５２−１により検出された分布圧力値は、この引き出し線を介して、信号処理部５３−１に入力され、信号処理部５３−１により所定の信号処理が行われる。そして、センサ２１の外部には、この信号処理の結果が出力される。
【００７１】
圧力検出部４２−１はこのように構成されている。なおここでは圧力検出部４２−１について説明したが、圧力検出部４２−２も、基本的には圧力検出部４２−１と同様に構成されているので、その図示および説明を省略する。圧力検出部４２−１におけるフレキシブル基板５１−１、センサエレメント５２−１、および信号処理部５３−１に対応する圧力検出部４２−２におけるフレキシブル基板、センサエレメント、および信号処理部を、それぞれフレキシブル基板５１−２、センサエレメント５２−２、および信号処理部５３−２と称する。
【００７２】
すなわち圧力検出部４２−１および圧力検出部４２−２がこのように構成されていることから、正確にはセンサ２１は、圧力検出部４２−１および信号処理部５３−１が配置されたフレキシブル基板５１−１、変形部４１、および圧力検出部４２−２および信号処理部５３−２が配置されたフレキシブル基板５１−２が、３層構造上に配置されて構成されている。
【００７３】
図６は、図１のロボットハンドマニピュレータの電気的な構成例を示している。
【００７４】
図６の例において、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１０２−１，１０２−２，・・・およびセンサ２１−１，２１−２，・・・より構成されている。
【００７５】
図１に示したように所定の関節部１１に対応する所定の位置に配置されているセンサ２１は、電気的に図５を参照して説明したように圧力検出部４２−１および信号処理部５３−１、並びに圧力検出部４２−２および信号処理部５３−２を含んで構成されている。
【００７６】
各センサ２１の最上層の圧力検出部４２−１は、複数のセンサエレメント５２−１により静電容量変化を検出原理として検出された分布圧力値を、信号処理部５３−１に出力する。各センサ２１の最下層の圧力検出部４２−２は、複数のセンサエレメント５２−２により静電容量変化を検出原理として検出された分布圧力値を、信号処理部５３−２に出力する。なお、分布圧力値の検出原理は、静電容量変化以外であってもよい。例えば、抵抗値変化とすることもできるし、分布圧力値がとれるのであれば、感圧ゴムを並べただけのセンサであってもよい。
【００７７】
各センサ２１の信号処理部５３−１および信号処理部５３−２は、圧力検出部４２−１または圧力検出部４２−２からの分布圧力値を用いて、それぞれ所定の信号処理（後述）を行うことで、把持物体と指先間の滑りを検出し、検出した滑りの情報を、メイン制御部１０１にリアルタイムに出力する。
【００７８】
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。
【００７９】
例えばメイン制御部１０１は、各センサ２１により検出された把持物体と指先間の滑りの情報を受け、各センサ２１からの把持物体と指先間の滑りの情報に基づき、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のうちの必要なものを制御して、所定の関節部１１を駆動させて、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。
【００８０】
各アクチュエータ１０２は、それぞれ、ロボットハンド１の所定の関節部１１（すなわち、肩関節部１１−１、肘関節部１１−３、手首部１１−５、手部１１−６）に内蔵されており、メイン制御部１０１からの駆動信号に従って所定の関節部１１を駆動させる。これにより、所定の関節部１１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。
【００８１】
図７は、センサ２１の信号処理部５３−１の電気的な構成例を示している。圧力検出部４２−１からの分布圧力値の情報は、信号処理部５３−１の接触検出部１２１および圧力中心演算部１２２にそれぞれ入力される。
【００８２】
接触検出部１２１は、圧力検出部４２−１からの分布圧力値を用いて、各センサエレメント５２−１における接触検出を行い、センサ２１（変形部４１）への物体の接触検出が行われたセンサエレメント５２−１の情報を、圧力中心演算部１２２に出力する。
【００８３】
例えば、圧力検出部４２−１が、水平方向(x)にm個（x=0,1,2,…,m-1）、垂直方向(y)にn個(y=0,1,2,…,n-1)のm×n個（図５の例の場合は、縦を水平方向とみて、m=21,n=8）のセンサエレメント５２−１で構成されているとすると、接触検出部１２１は、それぞれのセンサエレメント５２−１の出力（すなわち、圧力値）P(x,y)がある閾値th(x,y)を超えた場合、すなわち、次の式（１）を満たした場合、そのセンサエレメント５２−１が、入力部３１（変形部４１）への物体の接触を検出したとする。なおth(x,y)は、全てのセンサエレメント５２−１に対して同じ閾値であってもよい。
【数１】
0005003336.tif 000002
【００８４】
また、接触検出部１２１は、それぞれのセンサエレメント５２−１の出力P(x,y)の総和がある閾値thを超えた場合、すなわち、次の式（２）を満たしたとき、それらのセンサエレメント５２が接触を検出したとしてもよい。
【数２】
0005003336.tif 000003
【００８５】
圧力中心演算部１２２は、圧力検出部４２−１からの分布圧力値を用いて、圧力中心位置を演算し、圧力中心移動演算部１２３に供給する。
【００８６】
具体的には、圧力検出部４２−１のセンサエレメント５２−１により検出される圧力値をP(x,y)として、各センサエレメント５２−１の単位面積をS(x,y)とすると、圧力中心位置COPx,COPyは、次の式（３）で求められる。
【数３】
0005003336.tif 000004
【００８７】
すなわち、式（３）の右辺の分母は法線方向にかかる力の総和であり、右辺の分子は、トルクの総和であるので、式（３）によれば、トルクがかかっている位置の代表点としての圧力中心位置が求められる。
【００８８】
なお、図５の例の場合のように、各センサエレメント５２−１の単位面積S(x,y)が全て同じ場合、圧力中心位置COPx,COPyは、簡易的に、次の式（４）で求められる。
【数４】
0005003336.tif 000005
【００８９】
なお、ここで、式（３）および式（４）では、全てのセンサエレメント５２−１の圧力値P(x,y)を用いたが、式（１）または式（２）を満たす、すなわち、接触を検出したセンサエレメント５２−１の圧力値P(x,y)のみを用いて、圧力中心位置COPx,COPyを求めることもできる。この場合、接触が検出されないときには圧力中止位置が求められないので、演算を止めておくことができる。
【００９０】
また、図５の例の場合、センサエレメント５２−１を水平方向および垂直方向にそれぞれ配置した例を説明しているが、センサエレメント５２−１は、水平方向だけや垂直方向だけに配置した場合にも同様な処理を行うことができる。センサエレメント５２−１を水平方向だけに配置した場合は、n=0の場合であり、圧力中心位置COPxの結果のみが用いられる。また、センサエレメント５２−１を垂直方向だけに配置した場合は、m=0の場合であり、圧力中心位置COPyの結果のみが用いられる。
【００９１】
以上のようにして求められる圧力中心位置COPx,COPyは、圧力値に応じて0≦COPx≦m-1, 0≦COPy≦n-1の値しかとらない。したがって、圧力中心位置COPx,COPyを圧力中心移動演算部１２３に渡すことにより、接触位置検出の検出結果が、圧力中心移動演算部１２３において利用可能になる。
【００９２】
圧力中心移動演算部１２３は、圧力中心演算部１２２からの圧力中心位置を時系列に蓄積する。圧力中心移動演算部１２３は、例えば、その蓄積された圧力中心位置の移動平均値の差分、または、圧力中心位置の差分を求め、求められた差分を、圧力中心移動演算値として、滑り覚検出部１２４に出力する。
【００９３】
例えば、圧力中心位置の時系列情報を、それぞれ、COPx(t)およびCOPy(t)とする。圧力中心移動演算部１２３は、微小な変動分を吸収するため、COPx(t)およびCOPy(t)に対して、ローパスフィルタ、または移動平均を行う。ここで、演算がより簡単な移動平均を用いた場合について説明する。なお、変動（ノイズ）が少ない場合には、ローパスフィルタや移動平均処理を行わなくてもよい。
【００９４】
移動平均をとる数をＭとすると、移動平均COPxMA(t)およびCOPyMA(t)は、時系列で蓄積されたCOPx(t)およびCOPy(t)を用いて、次の式（５）で表される。
【数５】
0005003336.tif 000006
【００９５】
圧力中心移動演算部１２３は、求められた移動平均COPxMA(t)およびCOPyMA(t)も時系列で蓄積する。圧力中心移動演算部１２３は、蓄積された移動平均値を用いて、圧力中心移動演算値を次の式（６）のようにして求める。
【数６】
0005003336.tif 000007
【００９６】
すなわち、式（６）においては、例えば、時刻tの移動平均値と、時刻t-1、時刻t-2、および時刻t-3などとの移動平均値との差分が求められる。すなわち、複数回の時間の変化が求められる。この移動平均値の差分である圧力中心移動演算値Dx(t,i)およびDy(t,i)は、滑り覚検出部１２４に出力される。
【００９７】
滑り覚検出部１２４は、例えば、圧力中心移動演算部１２３からの演算結果（すなわち、圧力中心移動演算値）を用いて、圧力中心移動検出演算を行い、圧力中心移動検出演算の演算結果により、滑りを検出したり、圧力中心移動演算部１２３からの演算結果を用いて、滑りを検出する。なお、圧力中心移動検出演算の演算結果を用いる場合には、滑り覚検出部１２４は、圧力中心移動演算値に、圧力中心移動演算値の大きさに応じた係数を乗算することで、圧力中心移動検出演算を行い、圧力中心移動検出演算の演算結果により、滑りを検出する。
【００９８】
すなわち、滑り覚検出部１２４は、圧力中心移動検出演算の演算結果、または、圧力中心移動演算部１２３からの演算結果が、所定の閾値（以下、判定用閾値と称する）を超えたか否かを判定し、判定用閾値を超えたと判定した場合、滑りを検出する。
【００９９】
例えば、滑り覚検出部１２４は、圧力中心移動演算部１２３からの圧力中心移動演算値Dx(t,i)およびDy(t,i)を用いて、式（７）を演算し、移動検出係数Kx(i)およびKy(i)を求める。
【数７】
0005003336.tif 000008
【０１００】
ここで、thresholdは一定値であり、Cs,Clは、0＜Cs＜Clの定数である。例えば、Cs=1、およびCl=2を用いる。したがって、threshold・iは、iが大きくなると大きくなる値である。すなわち、移動検出係数Kx(i)およびKy(i)は、圧力中心移動演算値Dx(t,i)およびDy(t,i)の大きさに応じて求められる係数、さらに具体的には、圧力中心移動演算値Dx(t,i)およびDy(t,i)の大きさと、時間に応じて大きくなる値との比較結果に応じて求められる係数である。なお、thresholdは可変の値であってもよい。
【０１０１】
そして、滑り覚検出部１２４は、式（６）および式（７）により求められた値を用いて圧力中心移動検出演算を行う。この圧力中心移動検出演算の演算式は、式（８）で表される。
【数８】
0005003336.tif 000009
【０１０２】
さらに、滑り覚検出部１２４は、式（８）により求めた値を用いて滑り覚検出演算を行う。この滑り覚検出演算の演算式は、式（９）で表される。
【数９】
0005003336.tif 000010
【０１０３】
式（９）により求められる滑り覚検出値SdxおよびSdyは、滑り量が増大するとその量が増加し、方向成分がほぼ保存される性質を有する量である。そして、滑り覚検出部１２４は、この滑り覚検出値SdxおよびSdyが、判定用閾値を超えたと判定したときに、滑りを検出する。
【０１０４】
なお、式（９）におけるNの値を大きく、式（７）におけるthresholdを小さくすることで、非常にゆっくりと滑る場合の滑りも検出することができるようになり、Nの値を小さく、thresholdを大きくすることで、高速に滑った場合の滑りのみを検出することができる。したがって、滑り覚検出部１２４においては、複数のNに対して、また複数のthresholdに対して演算を行うことで、複数の種類の滑り覚検出値SdxおよびSdyを取得することができ、それを、検出目的に応じて使い分けることができる。
【０１０５】
以上のようにして、滑り覚検出部１２４により検出された滑りと滑りの方向は、滑りの情報として、メイン制御部１０１にリアルタイムに出力される。これにより、メイン制御部１０１は、ロボットハンド１の物体把持の動作を正確に制御することができる。
【０１０６】
なお、上述した圧力中心移動演算値Dx(t,i)およびDy(t,i)は、式（６）に限らず、例えば、変動が少ない場合には、時系列で蓄積されたCOPx(t)およびCOPy(t)を用いて、次の式（１０）で求めることも可能である。
【数１０】
0005003336.tif 000011
【０１０７】
さらに、上述した滑り覚検出値SdxおよびSdyは、式（９）に限らず、次のようにして求めることも可能である。
【０１０８】
例えば、極めて変動が少ない場合、滑り覚検出値SdxおよびSdyは、それぞれ、Dx(t,i)およびDy(t,i)のiを１として演算される。すなわち、滑り覚検出値SdxおよびSdyは、次の式（１１）で表される。
【数１１】
0005003336.tif 000012
【０１０９】
なお、この場合、滑り覚検出値SdxおよびSdyを複数の判定用閾値に対して比較を行うことで、ゆっくり滑ることや高速に滑ることを検出できる。例えば、小さい判定用閾値と比較することでゆっくり滑ることを検出することができ、大きい判定用閾値と比較することで高速に滑ることを検出することができる。
【０１１０】
さらに、上記ほどではないが、変動が少ない場合、滑り覚検出値SdxおよびSdyは、それぞれDx(t,i)およびDy(t,i)のiをNとして演算することも可能である。この場合、滑り覚検出値SdxおよびSdyは、次の式（１２）で表される。
【数１２】
0005003336.tif 000013
【０１１１】
この場合にも、滑り覚検出値SdxおよびSdyを、複数のNと複数の判定用閾値に対して比較を行うことで、非常にゆっくり滑る場合でも、高速に滑る場合にもそれぞれ検出することができる。すなわち、Nを大きくして、判定用閾値を小さくすることで、ゆっくり滑ることが検出され、Nを小さくして、判定用閾値を大きくすることで、高速に滑ることが検出される。
【０１１２】
また、移動平均をとった場合も同様であり、移動平均をとった場合の滑り覚検出値SdxおよびSdyも、それぞれ、Dx(t,i)およびDy(t,i)のiを１として演算することができ、それぞれDx(t,i)およびDy(t,i)のiをNとして演算することもできる。すなわち、移動平均をとった場合におけるDx(t,i)およびDy(t,i)のiを１として演算したときの滑り覚検出値SdxおよびSdyは、次の式（１３）で表され、移動平均をとった場合におけるDx(t,i)およびDy(t,i)のiをNとして演算したときの滑り覚検出値SdxおよびSdyは、次の式（１４）で表される。
【数１３】
0005003336.tif 000014
【数１４】
0005003336.tif 000015
【０１１３】
そして、前者のとき（すなわち、移動平均をとった場合におけるDx(t,i)およびDy(t,i)のiを１として演算したとき）も、滑り覚検出値SdxおよびSdyを、複数の判定用閾値に対して比較を行うことで、ゆっくり滑ることや高速に滑ることを検出できる。例えば、小さい判定用閾値と比較することでゆっくり滑ることを検出することができ、大きい判定用閾値と比較することで高速に滑ることを検出することができる。
【０１１４】
また、後者のとき（すなわち、移動平均をとった場合におけるDx(t,i)およびDy(t,i)のiをNとして演算したとき）も、滑り覚検出値SdxおよびSdyを、複数のNと複数の判定用閾値に対して比較を行うことで、非常にゆっくり滑る場合でも、高速に滑る場合にもそれぞれ検出することができる。すなわち、Nを大きくして、判定用閾値を小さくすることで、ゆっくり滑ることが検出され、Nを小さくして、判定用閾値を大きくすることで、高速に滑ることが検出される。
【０１１５】
このように信号処理部５３−１は構成され、センサ２１の上層部分が受ける圧力から滑り覚検出値を算出する。なおここでは信号処理部５３−２も基本的には信号処理部５３−１と同様に構成されているので、その図示および説明を省略するが、信号処理部５３−２は、センサ２１の下層部分が受ける圧力から滑り覚検出値を算出する。
【０１１６】
次に、センサ２１の動作を説明する。
【０１１７】
図８は、荷重前の入力部３１の形状の例（上側）と荷重後の入力部３１の形状の例（下側）を示している。なお、図８の例において、図中左方向がｘｙｚ座標系のｘ軸の正方向を表し、図中上方向がｚ軸の正方向を表している。
【０１１８】
加圧ティップＡが入力部３１のｘ軸上の所定の位置（図８の例では目盛り９の位置）に押下され、入力部３１のその位置にｚ軸の負方向（図中下方向）に荷重Ｆｚがかけられている。
【０１１９】
このように入力部３１にｚ軸の負方向に荷重Ｆｚがかけられると、入力部３１と固定部３２とは接着や一体成形により固着され、その境界は拘束面となっているとともに、変形部４１はゴム材料同等の非圧縮性であることから、変形部４１は徐々に変形し、応力分散（応力緩和と同義）により圧力分布が発生する。そして荷重後においては、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て、その状態における圧力分布が発生する。
【０１２０】
ここでこの圧力分布に注目すると、圧力検出部４２−１を構成するセンサエレメント５２−１のうち、荷重Ｆｚによる圧力中心位置Ｃに位置するセンサエレメント５２−１が計測する圧力値は、図９の圧力値と時間のグラフ（図９の図中下のグラフ）の曲線１０３に示されるように、段々と上がり、所定の値に達すると、その所定の値が維持される静定状態となる。
【０１２１】
圧力検出部４２−２を構成するセンサエレメント５２−２のうち、荷重Ｆｚによる圧力中心位置Ｄに位置するセンサエレメント５２−２が計測する圧力値も、図９の圧力値と時間のグラフ（図９の図中下のグラフ）の曲線１０４に示されるように、段々と上がり、所定の値に達すると、その所定の値が維持される静定状態となる。
【０１２２】
静定状態の圧力検出部４２−１における圧力値の分布は、図９の圧力値とｘ軸方向の位置のグラフ（図９の図中上のグラフ）の曲線１０１に示されるように、圧力中心位置Ｃ（約目盛り９）の圧力値を最大とし、圧力値の分布範囲の両端における圧力値を最小とした略左右対称の山なりの形状となる。
【０１２３】
また静定状態の圧力検出部４２−２における圧力値の分布も、図９の圧力値とｘ軸方向の位置のグラフ（図９の図中上のグラフ）の曲線１０２に示されるように、圧力中心位置Ｄ（約目盛り９）の圧力値を最大とし、圧力値の分布範囲の両端における圧力値を最小とした略左右対称の山なりの形状となる。
【０１２４】
なお、圧力検出部４２−１が検出する圧力値が、圧力検出部４２−２が検出する圧力値より大きくなるのは、圧力検出部４２−１が加圧ティップＡによりほぼ直接押されるのに対して、圧力検出部４２−２は、加圧ティップＡによる圧力が変形部４１を介して間接的に伝えられるためであり、また両者の静定状態になる時間が異なるのは、圧力が変形部４１を介するまたは介さないことになる圧力伝播速度の違いによる。
【０１２５】
また圧力検出部４２の下または上に粘弾性がない場合には、ティップＡとほぼ点接触状態となり圧力中心位置Ｃまたは圧力中心位置Ｄに位置するセンサエレメント５２の圧力値しか検出されないため、図９の圧力値とｘ軸方向の位置のグラフのような圧力分布は発生しない。
【０１２６】
このように荷重に応じて変形部４１が変形し、その変形に応じた圧力値が圧力検出部４２により検出される。なお圧力検出部４２の下または上に粘弾性体からなる変形部４１があることで、接触物（加圧ティップＡ）の接触面積以上の圧力分布が発生するので、広範囲の圧力分布となり、圧力中心演算結果のノイズが低減される。
【０１２７】
図１０は、ずらし前の形状の例（上側）とずらし後の入力部３１の形状の例（下側）を示している。なお、図１０のずらし前の入力部３１の状態は、図８における荷重後の入力部３１の状態（図８の下側）と同じ状態を表している。
【０１２８】
図１０においては、ずらし前に示されるように、加圧ティップＡの入力部３１の押下により入力部３１にｚ軸の負方向（図中下方向）に荷重Ｆｚがかけられた後、ずらし後に示されるように、その加圧ティップＡが入力部３１を押下したまま、せん断力Ｆｓで、ｘ軸の負方向（図中右方向）にずらすずらし動作が行われる。図１０の例では、加圧ティップＡの位置は固定され、センサ２１全体が、ｙ軸およびｚ軸上の位置を維持したまま図中右方向に移動するようにしてずらし動作が行われる。
【０１２９】
入力部３１は、このｘ軸の負方向へのずらし動作により、固定部３２との拘束面を固着させたまま、せん断変形し、その結果、ずらし前の荷重Ｆｚによる圧力中心位置Ｃ，Ｄに位置するセンサエレメント５２に対する圧力分布位置関係に変化が生じる。
【０１３０】
図１１にはずらし前とずらし後の圧力分布が示されており、ずらし前の圧力分布（上側）は、圧力中心位置Ｃ，Ｄの圧力値を最大とし、圧力値の分布範囲の両端における圧力値を最小とした略左右対称の山なりの形状となっているが、ずらし後の圧力分布（下側）は、圧力値の分布範囲がずらし前よりも狭くなっており、さらに、ずらし前の圧力中心位置Ｃ，Ｄが、少し、ｘ軸の負方向へずれた位置となり、ｘ軸の正方向よりもｘ軸の負方向になだらかな山なりの形状となる。
【０１３１】
なお図１１の曲線１１１は、圧力検出部４２−１で検出されるずらし前の圧力分布を示し、曲線１１２は、圧力検出部４２−２で検出されるずらし前の圧力分布を示し、曲線１１３は、圧力検出部４２−１で検出されるずらし後の圧力分布を示し、曲線１１４は、圧力検出部４２−２で検出されるずらし後の圧力分布を示している。
【０１３２】
このように圧力分布の変形量は、せん断力Ｆｓの大きさに依存して大きくなるため、例え入力部３１（変形部４１）の粘弾性体と接触物（加圧ティップＡ）との接触領域が略不変としても、広義の「滑り」を捉えることができる。したがって、ロボットハンド１によって把持を行っている際には、入力部３１の粘弾性体と接触物との間の完全な相対運動を基に把持力制御を行うよりも、「ずれ」の状態で滑りを検出し、把持力制御を行った方が有効であるといえる。
【０１３３】
次にずらし動作による圧力検出部４２−１と圧力検出部４２−２の圧力中心位置の変化に注目する。
【０１３４】
図８に示したように、入力部３１にｚ軸の負方向に荷重Ｆｚがかけられると、変形部４１は変形するが、圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃと圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄは共に約目盛り９であり同じ位置である。
【０１３５】
しなしながら図１０に示したように、せん断力Ｆｓで、ｘ軸の正方向へのずらし動作が行われると（すなわちセンサ２１全体が、ｙ軸およびｚ軸上の位置を維持したまま図中左方向に移動されると）、圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃは、約目盛り６となり、圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄは、約目盛り５．８となり、両者の圧力中心位置に約０．２（以下、距離ｄと称する）の差が生じる。
【０１３６】
この差は、図１１の上段の曲線１１１と曲線１１２上の圧力中心の位置を示す十字マーク（＋）の位置が一致しているが、図１１の下段の曲線１１３と曲線１１４上の圧力中心の位置を示す十字マーク（＋）の位置がずれていることからも明らかである。また図１２には、このずらし動作が行われたときの、圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃ、圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄ、およびせん断力が時間経過に沿って示されているが、せん断力（曲線１２３）がほぼ一定となったときの圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃ（曲線１２１）と圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄ（曲線１２２）に差があることからも明らかである。
【０１３７】
図１３は、図１０の状態を、純せん断応力状態のモデルとして示したものである。なお圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃと圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄを囲む点線は、圧力の等高線を模式的に示している。
【０１３８】
この上側のモデルには、上述したように圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃと圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄは、せん断力Fsが働かない状態においてはセンサマトリクス(X,Y平面)上で一致する関係にあることが示されている。
【０１３９】
下側のモデルには、ｘ軸の正方向にせん断力Fs（ずれ応力σ）がさらに加えられると、センサ２１表面で加圧ティップＡとのすべりが発生していない状態においては、上述したように上層の圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃと、下層の圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄとに、センサマトリクス上で差が生じていることが示されている。
【０１４０】
このモデルによれば、材料の剛性率をG、変形部４１の厚みをtとすると、t×tanθが距離ｄとなり、ずれ応力σは式（１５）で表されることになる。なおｙ軸方向へのずれ応力が発生した場合も、平面上で同様のずれ量が発生することとなる。
【数１５】
0005003336.tif 000016
【０１４１】
そこでこの時、圧力検出部４２−２のセンサマトリクス(X,Y平面)上の圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃに対応する位置を、ずらし動作前の圧力検出部４２−２のセンサマトリクス上の圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃに対応する位置（すなわちこのモデルの場合ずらし動作前の圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄと同じ位置）とし、ずらし動作後の圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄを、圧力検出部４２−２がすらし動作後検出した分布圧力値から算出される圧力中心位置とすると、メイン制御部１０１は、それらの情報に基づいて、「t×tanθ」を算出することができるので、式（１５）よりずれ応力σを算出することができる。
【０１４２】
すなわち本発明によれば、変形部４１が粘弾性体であることにより生じる圧力分布により広義の滑りを検出することができるとともに、そのときのずれ応力を検出することができるので、ロボットハンドによる物体の安定把持、器用な操りなどで必要な滑りの情報をより正確に取得することができる。
【０１４３】
また式（９）で求められた滑り覚検出値が判定用閾値を超えたと判定したとき、滑りが検出されたものとしたが、圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃと圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄの差（距離ｄ）が一定量以上となったとき、また距離ｄが一定以上の速度で一定以上となったとき、滑りが検出されるようにすることもできる。
【０１４４】
また例えば図１２に示したような圧力検出部４２−１の圧力中心位置Ｃと圧力検出部４２−２の圧力中心位置Ｄの推移から得られる静定状態になるまでの時間差から、応力伝播速度の差を算出し、その差を滑り検出に利用することもできる。
【０１４５】
すなわち広義の滑りをより正確に検出することができる。
【０１４６】
図１４は、図２のセンサ２１の他の外観の構成例を示している。図１４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の断面図が示されている。
【０１４７】
センサ２０１は、真上から見ると入力面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。
【０１４８】
センサ２０４は、真上から見ると入力面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。
【０１４９】
以上、センサ２０１やセンサ２０２ように、入力部３１の形状を入力面３１ａが円形となるように形成することもできる。
【０１５０】
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もできる。なお、このセンサ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、物体に接触する場合、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。
【０１５１】
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もできる。この場合、ドーナツ部分に軸を通すことができるので、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。
【０１５２】
図１５は、図２の入力部３１の材料の他の例を示している。図１５の例においては、静電気の漏洩と侵入を防止するための静電シールドを付加したセンサ２１１の側断面図が示されている。
【０１５３】
センサ２１１は、固定部３２が、シールド機能を有する固定部２３３に入れ替わった点と、圧力検出部４２が、変形部４１のシールド機能を有する粘弾性体２３１と一体化され、その表面に、例えば、二色成形法で、薄膜のシリコンゴム２３２が一体化されて形成されている点が異なる。
【０１５４】
圧力検出部４２は、粘弾性体２３１と圧力検出部４２の下の固定部２３３との上下から、シールドされている。これにより、圧力検出部４２の性能の低下をより抑制することができる。
【０１５５】
以上説明したように、センサ２１を、センサ面（入力面３１ａ）に垂直な法線力を検出する静電容量型圧力センサと粘弾性材料を組み合わせた多層に構成し、このセンサ２１からの圧力値を用いて、圧力中心位置を求めるなどの信号処理を行うようにしたので、その法線力に直交する接線力による対象物の滑りとその方向をより確実に検出することができる。また２層の圧力検出部４２を備えるようにしたので、せん断力をさらに正確に算出することができるとともに、滑り検出の精度を向上させることができる。
【０１５６】
なお、滑りとは、指と対象物の間の完全な「相対運動」と「回転運動」のうちの「転がり運動」だけでなく、「初期局所滑り」および「ずれ」も含まれている。
【０１５７】
したがって、このセンサ２１を適用した図１のロボットハンドマニピュレータにおいては、指と対象物の間の完全な「相対運動」、「初期局所滑り」、および「ずれ」も含めた「滑り」を検出することができるので、スティックスリップ現象に代表される狭義の滑りだけの検出よりもより確実に「滑り」を検出することができ、それにより、未然に物体の落下などを抑制して、正確に、任意物体の把持や操作（移動や運搬）を行うことができる。さらには、柔軟な素材であることから、人間に対する安全性も向上し、人間とより親和性の高い物理インタラクションの実現が可能になる。
【０１５８】
また、人と親和性の高い柔らかさと滑り性を有する柔軟な素材を入力部に用いることで、実世界機械や仮想空間への、人間と親和性の高い各種入力装置（例えば、リモートコントローラなど）に応用することも可能である。例えば、力、圧力による表現だけでなく、「材料自身のずれ」などの滑り現象を表現できることで、より多彩な表現入力手段を有する新感覚のヒューマンインタフェースの実現が考えられる。
【０１５９】
すなわち、ロボットハンドおよび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、重量の任意物体を器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を行うためには、「力の大きさ・方向・分布」に加えて「並進」「ころがり」「ずれ」などに代表される滑りや、初期局所滑り時に観測される「振動」などの物体の動的挙動を検知できることが必要である。さらに、物体を把持する指先や皮膚にあたる部分には、把持に最適な柔らかさ（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。
【０１６０】
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、あるいはスイッチなど）は、一般的に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が、さらに、指先の動きや滑りなどまでを入力情報とできれば、新しい感覚のユーザインタフェースとなり得る。また、指先が接触する場所を柔らかくして人との親和性を高めることも、新しい感覚のユーザインタフェースに繋がる。
【０１６１】
上述したように、本実施の形態におけるセンサ２１は、粘弾性体と静電容量型圧力センサの組み合わせで構成されるので、例えば、ロボットハンドやマニピュレータの表面、さらには、ロボット全体に取り付けられ、人間の皮膚のような柔らかさを持った粘弾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、それによって物体が接触した際に、静電容量型圧力センサに対して圧力が拡散される。これにより、圧力中心をロバストに求めることができる。
【０１６２】
そして、この圧力中心を、例えば、ロボットハンドやマニピュレータの表面、ロボット全体の皮膚の滑り覚のセンシングに用いることで、滑り覚により滑り方向や滑り速度に相当する量が取得できるので、物体把持の制御やロボットハンドの指先で物を滑らせながら扱うような操り制御を行うことができる。
【０１６３】
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うことができたり、接触検出やすべり検出により物体の落下（すべり落とし）防止や人間に対しての安全性に対する効果がある。さらには、その柔軟な素材から、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）を容易にとることが可能である。
【０１６４】
なお、上記説明においては、圧力検出部４２が静電容量変化を検出原理として分布圧力値を検出すると説明したが、静電容量変化に限らず、圧力検出部４２は、例えば、抵抗値変化を検出原理として分布圧力値を検出するように構成することもできるし、また、分布圧力値がとれるのであれば、感圧ゴムを並べただけのセンサで構成することもできる。
【０１６５】
また、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、各種ロボットの関節機構部、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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
図１６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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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１６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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１７６】
【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】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５】図２の圧力検出部を構成する静電容量型圧力センサの構造例を示す図である。
【図６】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７】図６の信号処理部の構成例を示すブロック図である。
【図８】荷重前と荷重後の入力部の形状の例を示す図である。
【図９】図８の場合の圧力値と時間のグラフおよび圧力値と位置のグラフを示す図である。
【図１０】ずらし前とずらし後の入力部の形状の例を示す図である。
【図１１】図１０の場合の圧力値と位置のグラフを示す図である。
【図１２】中心圧力位置と時間のグラフを示す図である。
【図１３】純せん断応力状態のモデルを示した図である。
【図１４】図２のセンサの他の外観の構成例を示す図である。
【図１５】図２の入力部の材料の他の例を示す図である。
【図１６】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】
【０１７７】
１  ロボットハンド，  １１  関節部，  ２１  センサ，  ３１  入力部，  ３２  固定部，  ３３  外部接続部，  ４１  変形部，  ４２  圧力検出部，  ５２  センサエレメント，  ５３  信号処理部，  １０１  メイン制御部，  １０２  アクチュエータ，  １２１  接触検出部，  １２２  圧力中心演算部，  １２３  圧力中心移動演算部，  １２４  滑り覚検出部
【図１】
0005003336.tif 000017
【図２】
0005003336.tif 000018
【図３】
0005003336.tif 000019
【図４】
0005003336.tif 000020
【図５】
0005003336.tif 000021
【図６】
0005003336.tif 000022
【図７】
0005003336.tif 000023
【図８】
0005003336.tif 000024
【図９】
0005003336.tif 000025
【図１０】
0005003336.tif 000026
【図１１】
0005003336.tif 000027
【図１２】
0005003336.tif 000028
【図１３】
0005003336.tif 000029
【図１４】
0005003336.tif 000030
【図１５】
0005003336.tif 000031
【図１６】
0005003336.tif 000032