(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】圧力中心演算部１２２は、圧力検出部４２からの分布圧力値を用いて、圧力中心位置を演算する。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用いて、圧力中心の移動量を演算する。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う。そして、滑り覚検出部１２４は、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。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７
2009036557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のエレメントで構成される圧力センサを備える検出装置において、
前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算する圧力中心演算手段と、
前記圧力中心演算手段により演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算する圧力中心移動演算手段と、
前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、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、前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値が所定の閾値以上であるか否かを判定し、前記圧力中心位置の移動値が所定の閾値以上であると判定した場合、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、前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値の総和が所定の閾値以上であるか否かを判定し、前記圧力中心位置の移動値の総和が所定の閾値以上であると判定した場合、前記滑りを検出する
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、前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値に、前記圧力中心位置の移動値の大きさに応じた係数を乗算して、前記圧力中心位置の移動値の総和を求める
請求項３に記載の検出装置。
【請求項５】
前記圧力中心移動演算手段は、前記圧力中心演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動平均値の差分を求めることで、前記圧力中心位置の移動値を演算する
請求項１に記載の検出装置。
【請求項６】
前記圧力中心移動演算手段は、前記圧力中心演算手段により演算された前記圧力中心位置の差分を求めることで、前記圧力中心位置の移動値を演算する
請求項１に記載の検出装置。
【請求項７】
前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、前記圧力センサへの物体の接触検出を行ったエレメントを検出する接触検出手段をさらに備え、
前記圧力中心演算手段は、前記接触検出手段により検出された前記エレメントからの圧力値を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算する
請求項１に記載の検出装置。
【請求項８】
前記圧力センサは、その表面に粘弾性材料で構成される粘弾性体を有する
請求項１に記載の検出装置。
【請求項９】
前記粘弾性体と前記圧力センサは、二色成形法により薄膜のシリコンゴムと一体化されている
請求項８に記載の検出装置。
【請求項１０】
前記粘弾性体は、静電シールド材料が混合されて成形されている
請求項８に記載の検出装置。
【請求項１１】
前記粘弾性体と前記圧力センサは、二色成形法により薄膜のシリコンゴムと一体化されている
請求項１０に記載の検出装置。
【請求項１２】
複数のエレメントで構成される圧力センサを備える検出装置の検出方法において、
前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算し、
演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算し、
演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りを検出する
ステップを含む検出方法。
【請求項１３】
複数のエレメントで構成される圧力センサを備える検出装置に、所定の処理を行わせるプログラムであって、
前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算し、
演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算し、
演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りを検出する
ステップを含むプログラム。
【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、並びにプログラムに関し、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および方法、並びにプログラムに関する。
【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、バネ変位などが挙げられる。
【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把持、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把持、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】
本発明の一側面の検出装置は、複数のエレメントで構成される圧力センサを備える検出装置において、前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算する圧力中心演算手段と、前記圧力中心演算手段により演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算する圧力中心移動演算手段と、前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りを検出する滑り検出手段とを備える。
【００１９】
前記滑り検出手段は、前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値が所定の閾値以上であるか否かを判定し、前記圧力中心位置の移動値が所定の閾値以上であると判定した場合、前記滑りを検出することができる。
【００２０】
前記滑り検出手段は、前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値の総和が所定の閾値以上であるか否かを判定し、前記圧力中心位置の移動値の総和が所定の閾値以上であると判定した場合、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、前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値に、前記圧力中心位置の移動値の大きさに応じた係数を乗算して、前記圧力中心位置の移動値の総和を求めることができる。
【００２２】
前記圧力中心移動演算手段は、前記圧力中心演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動平均値の差分を求めることで、前記圧力中心位置の移動値を演算することができる。
【００２３】
前記圧力中心移動演算手段は、前記圧力中心演算手段により演算された前記圧力中心位置の差分を求めることで、前記圧力中心位置の移動値を演算することができる。
【００２４】
前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、前記圧力センサへの物体の接触検出を行ったエレメントを検出する接触検出手段をさらに備え、前記圧力中心演算手段は、前記接触検出手段により検出された前記エレメントからの圧力値を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算することができる。
【００２５】
前記圧力センサは、その表面に粘弾性材料で構成される粘弾性体を有することができる。
【００２６】
前記粘弾性体と前記圧力センサは、二色成形法により薄膜のシリコンゴムと一体化されていることができる。
【００２７】
前記粘弾性体は、静電シールド材料が混合されて成形されていることができる。
【００２８】
前記粘弾性体と前記圧力センサは、二色成形法により薄膜のシリコンゴムと一体化されていることができる。
【００２９】
本発明の一側面の検出方法は、複数のエレメントで構成される圧力センサを備える検出装置の検出方法において、前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算し、演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算し、演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りを検出するステップを含む。
【００３０】
本発明の一側面のプログラムは、複数のエレメントで構成される圧力センサを備える検出装置に、所定の処理を行わせるプログラムであって、前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算し、演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算し、演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りを検出するステップを含む。
【００３１】
本発明においては、複数のエレメントで構成される圧力センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置が演算され、演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値が演算される。そして、演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りが検出される。
【発明の効果】
【００３２】
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】
【００３３】
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。
【００３４】
本発明の一側面の検出装置は、複数のエレメント（例えば、図４のセンサエレメント５２）で構成される圧力センサ（例えば、図３の圧力検出部４２）を備える検出装置（例えば、図１のセンサ２１−１）において、前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算する圧力中心演算手段（例えば、図７の圧力中心演算部１２２）と、前記圧力中心演算手段により演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算する圧力中心移動演算手段（例えば、図７の圧力中心移動演算部１２３）と、前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りを検出する滑り検出手段（例えば、図７の滑り覚検出部１２４）とを備える。
【００３５】
前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、前記圧力センサへの物体の接触検出を行ったエレメントを検出する接触検出手段（例えば、図７の接触検出部１２１）をさらに備え、前記圧力中心演算手段は、前記接触検出手段により検出された前記エレメントからの圧力値を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算することができる。
【００３６】
前記圧力センサは、その表面に粘弾性材料で構成される粘弾性体（例えば、図３の変形部４１）を有することができる。
【００３７】
前記粘弾性体と前記圧力センサは、二色成形法により薄膜のシリコンゴム（例えば、図２３のシリコンゴム２２２）と一体化されていることができる。
【００３８】
前記粘弾性体（例えば、図２３の粘弾性体２２１）は、静電シールド材料が混合されて成形されていることができる。
【００３９】
前記粘弾性体と前記圧力センサは、二色成形法により薄膜のシリコンゴム（例えば、図２３のシリコンゴム２２２）と一体化されていることができる。
【００４０】
本発明の一側面の検出方法またはプログラムは、複数のエレメントで構成される圧力センサを備える検出装置の検出方法またはプログラムにおいて、前記圧力センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算し（例えば、図９のステップＳ３２）、演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算し（例えば、図９のステップＳ３３）、演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りを検出する（例えば、図９のステップＳ３４）ステップを含む。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
ロボットハンドマニピュレータは、肩関節部１１、上腕部１２、肘関節部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の肩関節部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。
【００４４】
ロボットハンド１の上腕部１２および前腕部１４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がそれぞれ設けられている。
【００４５】
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関節の間には、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関節の間には、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関節の間には、センサ２１−１４がそれぞれ設けられている。
【００４６】
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。
【００４７】
ロボットハンドマニピュレータは、ロボットハンド１の肩関節部１１、肘関節部１３、手首部１５や、手部１６の指関節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。
【００４８】
ロボットハンド１に設けられた各センサ２１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。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。
【００４９】
ここで、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。
【００５０】
一般的には、指と対象物の間の相対運動を「滑り」と呼ぶ。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
図２の例においては、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。
【００６０】
図３は、図２のセンサ２１の内部の構成例を示している。図３の例においては、センサ２１を真上から見た上面図と、センサ２１の側断面図が示されている。なお、図３の上面図においては、内部構成がわかるように、入力部３１および変形部４１が段階的に透過された状態で示されている。
【００６１】
入力部３１は、大きく分けて、変形部４１および圧力検出部４２により構成される。すなわち、入力部３１は、上層の変形部４１と下層の圧力検出部４２からなる多層構造となっている。
【００６２】
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。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。
【００６３】
この変形部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。
【００６４】
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。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。
【００６５】
図４は、図３の圧力検出部４２としての静電容量型圧力センサの例を示す図である。
【００６６】
圧力検出部４２は、例えば、フレキシブル基板５１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により構成される。すなわち、圧力検出部４２を構成するセンサは、分布型圧力センサとも呼ばれる。なお、図４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しか符号が付されていない。
【００６７】
図４の例の場合、圧力検出部４２は、縦21列×横8行の168個のセンサエレメント５２により構成されており、センサエレメント５２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に入力されている。これらの各センサエレメント５２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に入力され、信号処理部５３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。
【００６８】
これらの圧力検出部４２および信号処理部５３が配置されたフレキシブル基板５１の上に、粘弾性材料からなる変形部４１が配置されて、センサ２１が構成される。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
また、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くなり、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、使用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。
【００７５】
そこで、図２３を参照して後述するように、粘弾性材料である変形部４１の表面に、二色成形法で、薄膜のシリコンゴムを一体化して入力部３１を構成することで、表面の薄膜のシリコンゴムにより、内部（すなわち、粘弾性体）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。
【００７６】
図６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。なお、図６の例の場合、説明の便宜上、センサ２１は、１つしか図示されていない。
【００７７】
図６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。
【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。すなわち、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１０２−１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。
【００７９】
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、肩関節部１１、肘関節部１３、手首部１５や、手部１６の指関節部）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。
【００８０】
センサ２１は、圧力検出部４２および信号処理部５３により構成されている。圧力検出部４２は、図４を参照して上述したように、複数のセンサエレメント５２により構成されており、複数のセンサエレメント５２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。
【００８１】
信号処理部５３は、圧力検出部４２からの分布圧力値を用いて、所定の信号処理を行うことで、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。
【００８２】
図７は、図６の信号処理部５３の構成例を示している。図７の例において、信号処理部５３は、接触検出部１２１、圧力中心演算部１２２、圧力中心移動演算部１２３、および滑り覚検出部１２４により構成されている。圧力検出部４２からの分布圧力値の情報は、接触検出部１２１および圧力中心演算部１２２に入力される。
【００８３】
接触検出部１２１は、圧力検出部４２からの分布圧力値を用いて、各センサエレメント５２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の情報を、圧力中心演算部１２２に出力する。
【００８４】
圧力中心演算部１２２は、圧力検出部４２からの分布圧力値を用いて、圧力中心位置を演算する。なお、このとき、圧力中心演算部１２２は、接触検出部１２１により接触検出が行われたセンサエレメント５２の分布圧力値のみを用いて、圧力中心位置を演算することもできる。圧力中心演算部１２２からの圧力中心位置の情報は、圧力中心移動演算部１２３に出力される。
【００８５】
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用いて、圧力中心の移動値を演算する。すなわち、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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
次に、図８のフローチャートを参照して、図１の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情報検出処理について説明する。なお、図８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。
【００８９】
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Ｓ１４において検出された各センサ２１から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、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。
【００９０】
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が、把持する物体と接触し、その物体の形状とそれにより発生する応力により粘弾性材料で構成される変形部４１が変形を始める。それによって内部の圧力検出部４２に対して圧力が拡散される。
【００９１】
ステップＳ１３において、複数のセンサエレメント５２からなる圧力検出部４２は、拡散された圧力（分布圧力）を検出する。すなわち、圧力検出部４２を構成する複数のセンサエレメント５２は、それぞれ、圧力が加わることで静電容量が変化するため、この静電容量の変化に基づいて、加えられた分布圧力を検出し、その値を、信号処理部５３に出力する。
【００９２】
ステップＳ１４において、信号処理部５３は、圧力検出部４２からの各センサエレメント５２の分布圧力値を用いて、把持物体と指先間の滑りおよび滑りの方向を検出し、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。なお、このステップＳ１４における滑り検出処理は、図９を参照して後述する。
【００９３】
ステップＳ１５において、メイン制御部１０１は、動作を終了するか否かを判定する。ステップＳ１５において、動作を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Ｓ１４において検出された把持物体と指先間の滑りの情報に基づいて、ロボットハンド１の動作を制御する。一方、ステップＳ１５において、終了すると判定された場合、図８の物体把持処理は終了される。
【００９４】
次に、図９のフローチャートを参照して、図８のステップＳ１４の滑り検出処理について詳しく説明する。例えば、圧力検出部４２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４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からなる静電容量型圧力センサで構成されているとする。
【００９５】
ステップＳ３１において、接触検出部１２１は、圧力検出部４２からの分布圧力値を用いて、各センサエレメント５２における接触検出を行う。例えば、接触検出部１２１は、それぞれのセンサエレメント５２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が、入力部３１（変形部４１）への物体の接触を検出したとする。
【００９６】
【数１】
2009036557.tif 000003
なお、th(x,y)は、全てのセンサエレメント５２に対して同じ閾値であってもよい。
【００９７】
または、例えば、接触検出部１２１は、それぞれのセンサエレメント５２の出力P(x,y)の総和がある閾値thを超えたら、すなわち、次の式（２）を満たした場合、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。
【００９８】
【数２】
2009036557.tif 000004
【００９９】
以上のようにして接触を検出したセンサエレメント５２の情報は、圧力中心演算部１２２に出力される。接触検出が行われたら、次に、接触位置検出が行われる。検出される接触位置は、例えば、圧力中心位置である。
【０１００】
ステップＳ３２において、圧力中心演算部１２２は、圧力検出部４２からの分布圧力値を用いて、圧力中心位置を求める。それぞれのセンサエレメント５２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の単位面積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。
【０１０１】
【数３】
2009036557.tif 000005
【０１０２】
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。
【０１０３】
なお、図４の例の場合のように、各センサエレメント５２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。
【０１０４】
【数４】
2009036557.tif 000006
【０１０５】
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。
【０１０６】
また、図４の例の場合、センサエレメント５２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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
ステップＳ３３において、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し、圧力中心移動演算を行う。
【０１０９】
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。ここでは、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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
【数５】
2009036557.tif 000007
【０１１２】
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。
【０１１３】
【数６】
2009036557.tif 000008
【０１１４】
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。
【０１１５】
ステップＳ３４において、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、滑り（すなわち、滑り覚）を検出する。このステップＳ３４における処理を具体的に説明すると、滑り覚検出部１２４は、まず、移動検出係数Kx(i)およびKy(i)を、式（７）を用いて求める。
【０１１６】
【数７】
2009036557.tif 000009
【０１１７】
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。
【０１１８】
そして、滑り覚検出部１２４は、式（６）および式（７）により求め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。
【０１１９】
【数８】
2009036557.tif 000010
【０１２０】
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。
【０１２１】
【数９】
2009036557.tif 000011
【０１２２】
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。
【０１２３】
なお、図２１を参照して後述するが、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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
なお、上述した図９のステップＳ３３において求められる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。
【０１２６】
【数１０】
2009036557.tif 000012
【０１２７】
さらに、上述した図９のステップＳ３４において求められる滑り覚検出値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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
【数１１】
2009036557.tif 000013
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
【数１２】
2009036557.tif 000014
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
【数１３】
2009036557.tif 000015
【０１３６】
【数１４】
2009036557.tif 000016
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
次に、センサ２１による効果について説明する。
【０１４０】
図１０は、荷重前と荷重後の入力部３１の形状の例を示している。なお、図１０の例において、図中右方向が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。
【０１４１】
入力部３１は、上述したように、粘弾性体の変形部４１と圧力検出部４２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。
【０１４２】
また、入力部３１と固定部３２との境界は拘束面となっており、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ｚ軸の負方向（図中下方向）に荷重Ｆｚ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て、その形状が変形し、応力分散（緩和）により圧力分布が発生する。
【０１４３】
例えば、荷重前の状態から、荷重後の状態に示されるように、指Ａなどにより入力部３１にｚ軸の負方向に荷重Ｆｚがかけられ続けると、圧力検出部４２を構成するセンサエレメント５２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が計測する圧力値は、図１１の圧力値と時間のグラフ（図１１の図中下のグラフ）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。
【０１４４】
この場合の圧力検出部４２における圧力値の分布は、図１１の圧力値とｘ軸方向の位置のグラフ（図１１の図中上のグラフ）に示されるように、圧力中心位置Ｃ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。
【０１４５】
なお、圧力検出部４２の上に粘弾性がない場合には、指Ａとほぼ点接触状態となり圧力中心位置Ｃ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１１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。
【０１４６】
以上のように、圧力検出部４２の上に粘弾性体からなる変形部４１があることで、接触物（指Ａ）の接触面積以上の圧力分布が発生する。そして、これにより、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。
【０１４７】
図１２は、ずらし前とずらし後の入力部３１の形状の例を示している。なお、図１２の例におけるずらし前の入力部３１の状態は、図１０における荷重後の入力部３１の状態となっている。
【０１４８】
図１２の例においては、ずらし前に示されるように、指Ａなどの入力部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、その指Ａが入力部３１を押下したまま、せん断力Ｆｓで、ｘ軸の正方向（図中右方向）にずらすずらし動作が行われる。
【０１４９】
この場合、入力部３１は、ｘ軸の正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、ずらし前の荷重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に対する圧力分布位置関係に変化が生じる。図１２の例の場合、ずらし前の圧力中心位置Ｃから、ずらし後の圧力中心位置がｄずれてしまっている。また、せん断力が摩擦力を超えていない場合でも粘弾性体の柔軟構造により変形が発生し、圧力分布に変化が生じる。
【０１５０】
すなわち、図１３のずらし前とずらし後の圧力分布に示されるように、ずらし前の圧力分布は、圧力中心位置Ｃ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から、少し、ｘ軸の正方向へずれた位置の圧力値を最大として、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。すなわち、ずらしにより、圧力中心位置は変化する。
【０１５１】
この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（指Ａ）との接触領域が略不変としても、圧力中心の変化を捉えることができ、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。
【０１５２】
次に、図１４および図１５を参照して、センサ２１への荷重抜重の実験を行った結果について説明する。図１４の例においては、センサ２１への荷重抜重の実験概要と圧力検出部４２の詳細が示されており、実験概要においては、図中右方向が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。なお、圧力検出部４２の詳細においては、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ｙ軸の正方向を表している。
【０１５３】
この実験においては、まず、略1500ms乃至4000ms間に、図１４の実線矢印に示されるように、センサ２１の粘弾性体からなる変形部４１に対して、先端に球Ｒを有するTipが、力Ｆｚ、所定の速度または加速度で押し込まれ、ｚ軸の負方向（図中下方向）に荷重がかけられることで、変形部４１の粘弾性体に、応力、ひずみ、ひずみＥ（エネルギ）が発生し、それにより、接触面積以上に圧力分布が拡散される。また、荷重をかけたまま一定時間(略4000ms乃至14500ms)経過した後で、略14500ms乃至17000ms間に、点線矢印に示されるように、抜重が行われる。そして、以上の変形部４１に対する荷重から抜重の間の、圧力検出部４２を構成するセンサエレメント５２（図１４の例の場合、ID(identification)1008乃至ID1175が付された21×8個の各センサエレメント５２）からの出力データが計測される。
【０１５４】
図１５の例においては、図１４の実験で計測された出力データが時間経過に沿って示されている。すなわち、上から順に、所定のセンサエレメント５２の圧力値と時間のグラフ、接触素子数、接触面積、および接触素子の圧力値の総和と時間のグラフ、力および押し込み深さと時間のグラフが示されている。なお、この例においては、説明の便宜上、図１４においてハッチングが付されているIDのセンサエレメント５２の圧力値のみしか示されていない。
【０１５５】
最上段において、グラフ１３１は、図１４のTipの真下に配置されるID1084のセンサエレメント５２から出力される圧力値を時間経過に沿って示している。以下、同様に、グラフ１３２は、ID1084のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1092のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１３３は、ID1092のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1100のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１３４は、ID1100のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1108のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示している。
【０１５６】
中段において、グラフ１３５は、接触閾値を超えたセンサエレメント５２からの圧力値の総和を時間経過に沿って示している。グラフ１３６（破線）は、接触閾値を超えたセンサエレメント５２の数（すなわち、接触素子数）を時間経過に沿って示しており、グラフ１３７は、グラフ１３６で示される接触素子数に基づいて求められる接触面積を時間経過に沿って示している。
【０１５７】
最下段において、グラフ１３８は、入力部３１の上において６軸力センサで計測されるｚ軸方向（法線方向）の力Ｆｚ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１３９は、Tipが変形部４１に押し込まれる深さ（ｚ軸方向の位置）を時間経過に沿って示している。なお、６軸力センサによる力Ｆｚ１は、後述する演算により求められる力Ｆｚと比較のために計測されている。
【０１５８】
すなわち、グラフ１３１乃至グラフ１３４により、Tipの真下に配置されるID1084のセンサエレメント５２からの圧力値が最も大きい値であることがわかり、ID1084のセンサエレメント５２から３つ離れたID1108のセンサエレメント５２からの圧力値は、ずっと０であり、圧力値を検出していないことがわかる。また、荷重をかけたままであっても、グラフ１３１乃至グラフ１３４における略4000ms乃至14500msに示されるように、各センサエレメント５２出力される圧力値は、少しずつ下がっている。これは、粘弾性体の応力緩和によるものである。
【０１５９】
また、これらのグラフ１３１乃至グラフ１３４が示す圧力値に基づいて、接触領域、接触面積、加重された力Ｆｚ、圧力中心位置COPx,COPyを算出することができる。具体的には、接触領域とは、グラフ１３６で示される接触素子数を表しており、接触領域は、センサエレメント５２毎に上述した式（１）が用いられ、接触閾値（例えば、th(x,y)）を超えたものが接触素子（すなわち、接触を検出したセンサエレメント）であるとして求められる。グラフ１３７で示される接触面積は、グラフ１３６で示される接触素子数に、素子面積を掛け合わせて求めることができる。また、力Ｆｚは、次の式（１５）を用いて求めることができる。すなわち、式（１５）で求められる力Ｆｚは、誤差などがあるが、グラフ１３８で示される力Ｆｚ１と略同じ値となる。
【０１６０】
【数１５】
2009036557.tif 000017
【０１６１】
圧力中心位置COPx,COPyは、上述した式（３）（または式（４））で求めることができる。なお、図１４の例の場合、圧力中心位置COPx,COPyは、Tipの真下に配置されるID1084のセンサエレメント５２の位置となる。
【０１６２】
次に、図１６および図１７を参照して、センサ２１への荷重後、せん断力Ｆｓをかける実験を行った結果について説明する。図１６の例においては、センサ２１へせん断力Ｆｓによる移動の実験概要と圧力検出部４２の詳細が示されており、実験概要においては、図中右方向が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。なお、圧力検出部４２の詳細においては、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ｙ軸の正方向を表している。
【０１６３】
この実験においては、まず、図１４の例と同様に、センサ２１の粘弾性体からなる変形部４１に対して、Tipが、力Ｆｚ、所定の速度または加速度で押し込まれ、ｚ軸の負方向（図中下方向）に荷重がかけられることで、変形部４１の粘弾性体に、応力、ひずみ、ひずみＥ（エネルギ）が発生し、それにより、接触面積以上に圧力分布が拡散される。その後、荷重をかけたまま、略1000ms乃至11000ms間に、図１６の実線矢印に示されるように、押し込み深さ−1.0mm、所定の速度または加速度で、ｘ軸の正方向（図中右側）にTipを移動させる（ずらす）せん断力がかけられ、そのままの状態で、所定の時間Tipを停止させている。そして、以上の間の、圧力検出部４２を構成するセンサエレメント５２（図１６の例の場合も、ID1008乃至ID1175が付された21×8の各センサエレメント５２）からの出力データが計測される。
【０１６４】
図１７の例においては、図１６の実験で計測された出力データが時間経過に沿って示されている。すなわち、上から順に、所定のセンサエレメント５２の圧力値と時間のグラフ、接触素子数、接触面積、および接触素子の圧力値の総和と時間のグラフ、Tipのｘ軸方向の位置、圧力中心位置、および圧力中心移動速度と時間のグラフ、並びに、力および回転力と時間のグラフが示されている。なお、この例においても、説明の便宜上、図１６においてハッチングが付されているIDのセンサエレメント５２の圧力値のみしか示されていない。
【０１６５】
最上段において、グラフ１４１は、図１６のID1076のｘ軸の負方向側の隣に配置されるID1068のセンサエレメント５２から出力される圧力値を時間経過に沿って示している。以下、同様に、グラフ１４２は、ID1084のｘ軸の負方向側の隣に配置されるID1076のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４３は、Tipの真下に配置されるID1084のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４４は、ID1084のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1092のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４５は、ID1092のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1100のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示している。
【０１６６】
また、グラフ１４６は、ID1100のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1108のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４７は、ID1108のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1116のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４８は、ID1116のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1124のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４９は、ID1124のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1132のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１５０は、ID1132のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1140のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示している。
【０１６７】
上から２段目において、グラフ１５１（破線）は、接触閾値を超えたセンサエレメント５２からの圧力値の総和を時間経過に沿って示している。グラフ１５２（グレイの線）は、接触閾値を超えたセンサエレメント５２の数（すなわち、接触素子数）を時間経過に沿って示しており、グラフ１５３は、グラフ１５２で示される接触素子数に基づいて求められる接触面積を時間経過に沿って示している。
【０１６８】
上から３段目において、グラフ１５４は、ｘ軸方向のTipの位置を時間経過に沿って示している。グラフ１５５は、上述した式（３）（または式（４））で求められる圧力中心位置COPx,COPyのうちのCOPxを時間経過に沿って示しており、グラフ１５６は、圧力中心位置COPxの差分を時間で除算した圧力中心位置の移動速度を時間経過に沿って示している。
【０１６９】
最下段において、グラフ１５７は、入力部３１の上において６軸力センサで計測されるｘ軸方向の力Ｆｘ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１５８は、ｙ軸方向の力Ｆｙ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１５９は、ｚ軸方向（法線方向）の力Ｆｚ１を時間経過に沿って示している。また、グラフ１６０は、入力部３１の上において６軸力センサで計測されるｘ軸を中心とした回転方向の力Ｍｘ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１６１は、ｙ軸を中心とした回転方向の力Ｍｙ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１６２は、ｚ軸を中心とした回転方向の力Ｍｚ１を時間経過に沿って示している。なお、６軸力センサによる力や回転力は、後述する演算により求められる力Ｆｚと比較のために計測されている。
【０１７０】
すなわち、グラフ１４１乃至グラフ１５０により、最大の圧力値は、時間の経過に応じて、それぞれ、Tipの真下に配置されるID1084、ID1092、ID1100、ID1108、ID1116、ID1124、ID1132、ID1140の各センサエレメント５２からの圧力値となる。
【０１７１】
また、図１４の例の場合と同様に、これらのグラフ１４１乃至グラフ１５０が示す圧力値に基づいて、接触領域、接触面積，力Ｆｚ,圧力中心位置COPx,COPyを算出することができる。具体的には、接触領域とは、グラフ１５２で示される接触素子数を表し、センサエレメント５２毎に上述した式（１）が用いられ、接触閾値を超えたものが接触素子（すなわち、接触を検出したセンサエレメント）であるとして求めることができる。グラフ１５３で示される接触面積は、グラフ１５２で示される接触素子数に、素子面積を掛け合わせて求めることができる。また、力Ｆｚは、上述した式（１５）を用いて求められる。すなわち、式（１５）で求められる力Ｆｚは、誤差などがあるが、グラフ１５９で示される力Ｆｚ１と略同じ値となる。
【０１７２】
また、グラフ１５５で示される圧力中心位置COPxと、圧力中心位置COPyは、上述した式（３）（または式（４））で求めることができる。グラフ１５５で示される圧力中心位置COPxは、グラフ１５４で示されるTipの位置を少し先行はしているものの、グラフ１５４で示されるTipの位置とほぼ同様に移動している。
【０１７３】
図１８は、図１６と同様の実験で計測された出力データの他の例を示している。図１８の例においては、上から順に、センサ２１が、Tipで、約6000ms前後に荷重開始され、約9000ms乃至12000msの辺りで移動（ずらし）が開始された場合における、所定のセンサエレメント５２の圧力値と時間のグラフ、接触素子数、接触面積、および接触素子の圧力値の総和と時間のグラフ、Tipのｘ軸方向の位置、圧力中心位置、および圧力中心移動速度と時間のグラフ、並びに、力および回転力と時間のグラフが示されている。なお、図１８のグラフは、図１７のグラフの他の例であり、その詳細な説明は基本的に同様であるため、繰り返しになるので適宜省略する。
【０１７４】
最上段において、グラフ１７１は、グラフ１７３に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の負方向側の２つ隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を時間経過に沿って示している。以下、同様に、グラフ１７２は、グラフ１７３に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の負方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７３は、Tipの真下に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７４は、グラフ１７３に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７５は、グラフ１７４に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示している。
【０１７５】
また、グラフ１７６は、グラフ１７５に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７７は、グラフ１７６に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７８は、グラフ１７７に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７９は、グラフ１７８に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１８０は、グラフ１７９に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示している。
【０１７６】
上から２段目において、グラフ１８１は、接触閾値を超えたセンサエレメントからの圧力値の総和を時間経過に沿って示している。グラフ１８３は、接触閾値を超えたセンサエレメント数（接触素子数）に基づいて求められる接触面積を時間経過に沿って示している。
【０１７７】
上から３段目において、グラフ１８４は、ｘ軸方向のTipの位置を時間経過に沿って示している。グラフ１８５は、上述した式（３）（または式（４））で求められる圧力中心位置COPx,COPyのうちのCOPxを時間経過に沿って示しており、グラフ１８６は、圧力中心位置COPxの差分を時間で除算した圧力中心位置の移動速度を時間経過に沿って示している。
【０１７８】
最下段において、グラフ１８７は、入力部３１の上において６軸力センサで計測されるｘ軸方向の力Ｆｘ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１８８は、ｙ軸方向の力Ｆｙ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１８９は、ｚ軸方向（法線方向）の力Ｆｚ１を時間経過に沿って示している。また、グラフ１９０は、入力部３１の上において６軸力センサで計測されるｘ軸を中心とした回転方向の力Ｍｘ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１９１は、ｙ軸を中心とした回転方向の力Ｍｙ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１９２は、ｚ軸を中心とした回転方向の力Ｍｚ１を時間経過に沿って示している。
【０１７９】
ここで、図１８の上から２段目におけるグラフ１８１およびグラフ１８３のTipの移動開始（すなわち、約8000ms乃至16000ms）近辺を、図１９に拡大して示す。グラフ１８３に示されるように、いままで（すなわち、略11000msの直前まで）安定していた接触面積が、急に減ったり、増えたりしている。すなわち、Tipの動き出し直前に、接触面積に、急に増えたりあるいは減少したりする大きな変化が見られる。
【０１８０】
また、図１８の上から３段目におけるグラフ１８４乃至グラフ１８６のTipの移動開始（すなわち、約10000ms乃至11000ms）近辺を、図２０に拡大して示す。図２０の例においては、グラフ１８４は、太線で示され、グラフ１８５は、破線で示され、グラフ１８６は、一点鎖線で示されている。グラフ１８４で示されるTipの位置は、円Ａで示す辺りから移動を開始しているが、グラフ１８５に示される圧力中心位置COPxは、円Ａで示すTipが移動を開始するよりも略100ms前の円Ｂで示す辺りから変化を始めている。すなわち、Tipの動き出し直前に、圧力中心位置COPxにも大きな変化が見られる。
【０１８１】
以上のTipの動き出し直前における接触面積や圧力中心位置COPxの大きな変化は、粘弾性体の変形によるものと思われ、これらは、センサ単体では得ることができない。したがって、図３に示されるように、センサ２１を粘弾性体からなる変形部４１と静電容量型圧力センサからなる圧力検出部４２の組み合わせで構成することにより、Tipの動き出し直前における接触面積や圧力中心位置の大きな変化の情報を取得することが可能になる。
【０１８２】
図２１は、図１６と同様の実験方法により求められる滑り覚検出データを示している。図２１の例においては、Tipを押し込み深さ-1.0mmとなるようにｘ軸の負方向に荷重をかけたまま、さらに、1.0mmの速度でｘ軸の正方向に移動させた場合のTipの位置、圧力中心位置COPx、および移動平均COPxMAと、それらから求められる３種類の滑り覚検出値が示されている。
【０１８３】
すなわち、上段、中段、下段において、グラフ１９４は、Tipのｘ軸方向の位置を示しており、グラフ１９５は、ｘ軸方向の圧力中心位置COPxを示しており、グラフ１９６は、移動平均COPxMAを示している。そして、上段において、グラフ１９７は、式（９）（または式（１２）や式（１４））においてNを大きくし、式（７）においてthresholdを小さくした低速（Low Speed）の滑り覚検出値を示している。中段において、グラフ１９８は、Nとthresholdを、上段と下段の中間的な値とした中速（Medium Speed）の滑り覚検出値を示している。また、下段において、グラフ１９９は、Nを小さく、thresholdを大きくした高速（High Speed）の滑り覚検出値を示している。
【０１８４】
グラフ１９７に示されるように、低速の滑り覚検出値は、静止中は、略０を示し、滑り出してから滑り終わるまで、0.5乃至1.5程度の値を示し、停止後は、±0.25の値を示している。グラフ１９８に示されるように、中速の滑り覚検出値は、静止中は、略０を示し、滑り出してから滑り終わるまで、0.1乃至0.4程度の値を示し、停止後は、±0.15の値を示している。グラフ１９９に示されるように、高速の滑り覚検出値は、静止中は、略０を示し、滑り出してから滑り終わるまで、0.02乃至0.06程度の値を示し、停止後は、±0.03の値を示している。
【０１８５】
すなわち、高速の滑り覚検出値は、低速の滑り覚検出値に比して微小の値であり、低速の滑りの方が、滑っている間と滑っていない間を容易に検出することができる。
【０１８６】
以上の特徴、すなわち、粘弾性体の特性や、圧力値から取得される圧力中心位置などを使用することにより、物体との接触面で発生する滑りを検出することが可能となる。
【０１８７】
なお、上記説明においては、ｘ軸について説明を行ったが、ｙ軸の場合も同様に滑りを検出することができる。
【０１８８】
図２２は、図２のセンサ２１の他の外観の構成例を示している。図２２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。なお、入力部３１と固定部３２の間には、例えば、静電容量型圧力センサで構成される圧力検出部４２が示されている。
【０１８９】
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。例えば、センサ２０３においては、フレキシブル基板に構成される圧力検出部４２などが用いられる。
【０１９０】
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。
【０１９１】
以上、センサ２０１やセンサ２０２のように、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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
図２３は、図２の入力部３１の材料の他の例を示している。図２３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および２１２の側断面図が示されている。
【０１９５】
センサ２１１は、固定部３２が、シールド機能を有する固定部２２３に入れ替わった点と、入力部３１の変形部４１が、シールド機能を有する粘弾性体２２１とシリコンゴム２２２で構成されている点が、図２のセンサ２１と異なっており、変形部４１と固定部２２３の間に圧力検出部４２が構成されている点は共通している。
【０１９６】
センサ２１１の変形部４１は、シールド機能を有する粘弾性体２２１の表面に、例えば、二色成形法で、薄膜のシリコンゴム２２２が一体化されて形成されている。
【０１９７】
すなわち、センサ２１１においては、圧力検出部４２は、粘弾性体２２１と圧力検出部４２の下の固定部２２３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の性能の低下を抑制することができる。
【０１９８】
センサ２１２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。
【０１９９】
すなわち、センサ２１２においては、圧力検出部４２が、シールド機能を有する粘弾性体２３１と一体化されている点が、センサ２１１と異なる構成であるが、センサ２１２においても、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。
【０２００】
なお、図２３のセンサ２１１および２１２においては、粘弾性体２２１および２３１がシールド機能を有するように構成したが、それらの代わりに、例えば、シリコンゴム２２２および２３２がシールド機能を有するように構成してもよい。
【０２０１】
図２４は、図２のセンサ２１の他の内部の構成例を示している。図２４の例においては、図３の例と同様に、センサ２１を真上から見た上面図と、センサ２１の側断面図が示されている。なお、図２４の上面図においては、内部構成がわかるように、入力部３１、圧力検出部２６１、および変形部４１が段階的に透過された状態で示されている。
【０２０２】
図２４のセンサ２１の入力部３１は、圧力検出部２６１、変形部４１、および圧力検出部２６２により構成される。圧力検出部２６１および２６２は、圧力検出部４２と同様の構成をしており、粘弾性体で構成される変形部４１を上下方向から挟む位置に配置されている。すなわち、入力部３１は、上層の圧力検出部２６１、中層の変形部４１、および下層の圧力検出部２６２からなる多層構造となっている。
【０２０３】
以上のように、入力部３１を、図３を参照して上述したように、上から、変形部４１および圧力検出部４２の２層で構成するだけに限らず、図２４に示されるように、上から、圧力検出部２６１、変形部４１、および圧力検出部２６２の３層で構成することもできる。この場合、圧力検出部２６１および圧力検出部２６２からの圧力値に基づいて、圧力中心位置が求められて、滑り覚が検出される。
【０２０４】
なお、図示はしないが、図２４の圧力検出部２６１の上層にさらに、粘弾性体を設けてもよいし、さらに多くの圧力検出部の層を構成するようにしてもよい。
【０２０５】
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。
【０２０６】
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。
【０２０７】
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。
【０２０８】
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。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
図２５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。
【０２１９】
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。
【０２２０】
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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
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。
【０２２３】
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２５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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
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】
【０２２６】
【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】図３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】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】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９】図８のステップＳ１４の滑り検出処理を説明するフローチャートである。
【図１０】荷重前と荷重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１２】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１３】図１２の場合の圧力値と位置のグラフを示す図である。
【図１４】センサへの荷重抜重の実験を説明する図である。
【図１５】図１４の実験で計測された出力データを示す図である。
【図１６】センサへのせん断力をかける実験を説明する図である。
【図１７】図１６の実験で計測された出力データを示す図である。
【図１８】図１６の実験で計測された出力データの他の例を示す図である。
【図１９】図１８の接触面積のグラフを拡大して示す図である。
【図２０】図１８の圧力中心位置のグラフを拡大して示す図である。
【図２１】図１６の実験で求められる滑り覚検出データを示す図である。
【図２２】図２のセンサの他の外観の構成例を示す図である。
【図２３】図２の入力部の材料の他の例を示す図である。
【図２４】図２のセンサの他の内部の構成例を示す図である。
【図２５】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】
【０２２７】
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  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，  １０２−１乃至１０２−ｎ  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】
2009036557.tif 000018
【図２】
2009036557.tif 000019
【図３】
2009036557.tif 000020
【図４】
2009036557.tif 000021
【図５】
2009036557.tif 000022
【図６】
2009036557.tif 000023
【図７】
2009036557.tif 000024
【図８】
2009036557.tif 000025
【図９】
2009036557.tif 000026
【図１０】
2009036557.tif 000027
【図１１】
2009036557.tif 000028
【図１２】
2009036557.tif 000029
【図１３】
2009036557.tif 000030
【図１４】
2009036557.tif 000031
【図１５】
2009036557.tif 000032
【図１６】
2009036557.tif 000033
【図１７】
2009036557.tif 000034
【図１８】
2009036557.tif 000035
【図１９】
2009036557.tif 000036
【図２０】
2009036557.tif 000037
【図２１】
2009036557.tif 000038
【図２２】
2009036557.tif 000039
【図２３】
2009036557.tif 000040
【図２４】
2009036557.tif 000041
【図２５】
2009036557.tif 000042