(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴム状弾性材料で任意の形状に成型されている人工皮膚部材と、該人工皮膚部材中に分散して埋設され、それぞれが機械的変形や温度変化を感知する複数個のセンサ素子チップと、上記人工皮膚部材中の複数個のセンサ素子チップに対して外部より電磁的に非接触で電力を供給する共通の電源手段と、上記人工皮膚部材中の複数個のセンサ素子チップからのセンサ信号を外部へ電磁的に非接触で取り出す共通の信号伝達手段とを備えていることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
請求項１において、上記複数個のセンサ素子チップの各々は、人工皮膚部材に加えられる機械的変形や温度変化に応じて発振周波数を変化させるＬＣ発振器を含み、かつそれぞれのＬＣ発振器の発振周波数の変化範囲が相互に異なるようにずらされていることを特徴とする触覚センサ。
【請求項３】
それぞれが外部より高周波電力を受け取るためのループアンテナと異なる周波数で外部へセンサ信号を伝達するための高周波コイルとを備えて、それぞれが機械的変形や温度変化を感知する複数個のセンサ素子チップを人工皮膚部材中に分散して埋設されている触覚センサと、
上記触覚センサに近接して設けられた高周波電力供給用ループアンテナと、
上記高周波電力供給用ループアンテナに接続された高周波信号発生器と、
上記触覚センサに近接して設けられたセンサ信号受信用ループアンテナと、
上記センサ信号受信用ループアンテナに接続されて触覚センサの複数個のセンサ素子チップからそれぞれ出力される異なる周波数のセンサ信号を検出する周波数アナライザと、
を有す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、ロボットのハンドなどに装着できる柔かな人工皮膚のような触覚センサと、そのような触覚センサを用いた触感検知システムに関する。
【０００２】
人間生活により身近に入り込むロボットを実現するために自由曲面を有するロボット表面全体を、触覚を有する軟らかい人工皮膚で覆いたいという要求がある。本発明は、そのための有効な１手段を提供する。
【０００３】
【従来の技術】
従来のロボットにおける触覚機能は、個別部品として作られた圧力センサを必要な部位に任意個数取り付けることにより実現されており、触覚機能が分布している人工皮膚のような概念のものはこれまでに存在しなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
柔かな人工皮膚の表面に触覚機能を高密度で分布させるには、個別のセンサを皮膚表面に多数配置するとともに各センサに対する電源配線及び信号配線の接続を行わなければならず、センサの高密度実装は困難であった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の触覚センサは、機械的変形や温度を感知するチップ状のセンサ素子の複数個をシリコンゴムのような弾力性のある人工皮膚部材中に分散して埋設するとともに、それら複数個のセンサ素子チップに対して非接触で電磁的に電力を供給する共通の電源手段と、それら複数個のセンサ素子チップがそれぞれ弾性体の変形や温度を感知して電気信号に変換したセンサ信号を、外部に非接触で電磁的に伝達する共通の信号伝達手段とを設けた構成にして、人工皮膚部材に加わる機械的な変形や温度を感知するようにしたものである。
【０００６】
図１は、本発明の原理的構成を示したものである。図１の（ａ）は本発明による触覚分布人工皮膚の全体図、図１の（ｂ）はセンサ素子チップの概要図である。
【０００７】
図１（ａ）において、
１は人工皮膚部材であり、たとえばシリコンゴムのような弾性材料をシート状に成型したものである。
【０００８】
２はセンサ素子チップであり、人工皮膚部材１中に多数埋設されて、人工皮膚部材１の表面に他の物体が接触したときに人工皮膚部材中に生じる機械的変形や温度変化の程度に応じて周波数が変化する高周波信号を送信する。各センサ素子チップが送信する高周波信号の周波数変化範囲は、互いに重ならないようにずらされる。
【０００９】
３は信号受信コイルであり、人工皮膚部材１の裏面全体を囲むようにループアンテナ状に設けられ、各センサ素子チップ２が送信した高周波の検出信号を受信する。
【００１０】
４は電力送信コイルであり、信号受信コイル３と同様に、人工皮膚部材１の裏面全体を囲むようにループアンテナ状に設けられ、各センサ素子チップ２に対する電力駆動源となる高周波電磁界を発生する。
【００１１】
図１（ｂ）において、
５はセンサ回路チップであり、トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサなどの要素からなるＬＣ発振回路が組み込まれている。ＬＣ発振回路の発振周波数は、センサ素子チップごとに固有の変化範囲をもつ。
【００１２】
６は信号送信コイルであり、センサ回路チップ５のＬＣ発振回路を構成する発振コイルとしての機能と、発振した信号を送信するループアンテナとしての機能とを持つ。
【００１３】
７は電力受給コイルであり、電力送信コイル４により発生される高周波電磁界により高周波電圧が誘起されて、センサ回路チップ５の電力供給源となる。
【００１４】
図１（ｂ）に示されるセンサ素子チップ２は、ＩＣ技術を用いて微小なサイズに作ることができかつ外部の電源配線や信号配線は不要なので、図１（ａ）に示される人工皮膚部材１の厚さを薄くしても、多数の微小なセンサ素子チップ２を高密度に埋設することができ、精細な触覚分布をもつ人工皮膚を実現することが可能となる。
【００１５】
センサ素子チップ２にＬＣ発振回路を用いる場合の利点は、ＬＣ発振回路自体が人工皮膚部材１の機械的変形や温度変化によるコイルの変形と誘電率の変化などの影響を受けて発振周波数を変化させるため、専用の歪みセンサや温度センサを別個に設ける必要がないことである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図２（ａ）は、センサ素子チップにコルピッツ型のＬＣ発振回路を用いた場合の実施例を示す。ＬＣ発振回路には他にハートレー型、トランス結合型などがあるが、コイルの構造はコルピッツ型がもっとも単純であり、小型化には都合がよい。
【００１７】
図２（ａ）において、６は発振用コイルを兼用する信号送信コイルＬ1 、７は電力受給コイルＬ2 、８はトランジスタＴr 、９は発振用コンデンサＣ1 、１０は発振用コンデンサＣ2 、１１はソース抵抗Ｒs 、１２は整流用ダイオードＤ、１３は平滑用コンデンサＣ3 である。
【００１８】
コイルＬ2 には、図１（ｂ）の電力送信コイル４から誘導される高周波電圧が発生する。この高周波電圧は、ダイオードＤにより整流され、コンデンサＣ3 で平滑されて、発振回路に電源として供給される。
【００１９】
図２（ｂ）は、図２（ａ）における発振回路部分の等価回路を示す。よく知られているように、この回路のループ利得ＡＨは次式で与えられる。
【００２０】
【数１】
0003739927.tif 000002
【００２１】
なお、ｇm は相互コンダクタンス、ｒｄはドレイン抵抗である。ここで、ｇm が１０［ｍＳ］、Ｌ1 が１０-5［Ｈ］、Ｃ1 ，Ｃ2 が１０-9［Ｆ］、Ｒs が１０2 ［Ω］程度の大きさのとき、ｒｄが１０4 ［Ω］以上あれば、発振条件は次のように近似することができる。
○周波数条件
【００２２】
【数２】
0003739927.tif 000003
【００２３】
○電力条件
【００２４】
【数３】
0003739927.tif 000004
【００２５】
電力条件により、ｇm は大きいほど発振しやすくなる。
【００２６】
センサ素子チップの大きさは１立方センチメートルよりも小さいことが望ましく、たとえば微小サイズのＬ1 として、実際に直径１ｍｍ、１０巻のコイルを作成したところ、7.２ＭＨｚで発振させることができた。これにより、コイルを含むセンサ素子チップ全体の大きさを１ｍｍ程度のサイズのチップに微小化することが可能であり、このような微小なチップを多数シリコンゴムに混入して任意の形状に成型することができる。図３は、その製作過程を示したものである。
【００２７】
図３において、（ａ）は発振周波数の異なる多数のセンサ素子チップを液状のシリコンゴムに混入する段階、（ｂ）はセンサ素子チップが均一に分散するよう攪拌する段階、（ｃ）はシリコンゴムを型に注入して成型する段階であり、表面を触覚分布人工皮膚で覆った任意の形状のプローブを得ることができる。（ｄ）はプローブの人工皮膚に分散配置されている個々のセンサ素子チップを認識するための学習段階であり、プローブ表面の各位置に順次接触するとともに接触圧の大きさを変化させ、そのとき検出される発振周波数の変化を対応づけて学習する。
【００２８】
図４は、本発明による触覚分布人工皮膚を用いた触感検知システムの１実施例を示したものである。
【００２９】
図４において、１は人工皮膚部材、２−１〜２−ｎはセンサ素子チップ、３は信号受信コイル、４は電力送信コイル、１４は高周波信号源、１５は周波数アナライザ、１６は処理装置、１７はニューロネットワーク、１８は学習処理部である。
【００３０】
高周波信号源１４は電力送信コイル４を駆動し、人工皮膚部材１中に埋設されている全てのセンサ素子チップ２−１〜２−ｎに対して動作に必要な電力を供給する。動作状態にある各センサ素子チップ２−１〜２−ｎは、それぞれ異なる固有の周波数ｆ1 ，ｆ2 ，・・・，ｆn で発振する。各センサ素子チップ２−１〜２−ｎがそれぞれ周波数ｆ1 ，ｆ2 ，・・・，ｆn で発振した信号ｓ1 ，ｓ2 ，・・・，ｓn は、信号受信コイル３に受信され、周波数アナライザ１５に入力される。
【００３１】
周波数アナライザ１５は、一定の周波数帯域を繰り返し走査して、入力信号の周波数値と振幅値を検出する。人工皮膚部材１に接触している物体が何もない基準状態では、周波数ｆ1 ，ｆ2 ，・・・，ｆn のｎ個の信号ｓ1 ，ｓ2 ，・・・，ｓn が検出される。
【００３２】
処理装置１６は、周波数アナライザ１５が検出した各信号ｓ1 ，ｓ2 ，・・・，ｓn の値を取り込み、学習処理あるいは触感検知処理を行う。図示の例ではニューロネットワークを用いて触感検知処理を行っているが、テーブルを用いる一般の処理方法を採用してもよい。
【００３３】
学習処理を行う場合は、学習処理部１８が起動される。次に適当な物体を人工皮膚部材１の表面に接触させ、そのときの接触位置および接触圧と周波数アナライザ１５から出力される信号ｓ1 ，ｓ2 ，・・・，ｓn とを用いて、ニューロネットワーク１７を条件づける。
【００３４】
人工皮膚部材１の表面に物体が接触している状態では、信号ｓ1 ，ｓ2 ，・・・，ｓn の周波数はｆ1 ±Δｆ1 ，ｆ2 ±Δｆ2 ，・・・，ｆn ±Δｆn のように変化しており、その変化量は、接触位置と接触圧に依存している。種々の接触位置、接触圧についてニューロネットワーク１７を学習させた後でニューロネットワーク１７による認識処理を行うことにより、接触物体についての任意の接触位置と接触圧を検知することができる。なお接触圧を変化させる代わりに物体の温度を変化させて学習すれば、温度の検知を行うことが可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明により、多数のセンサ素子チップを分散埋設した人工皮膚を、個々のセンサ素子チップに対する配線を行う必要なしに簡単に実現することができ、より自然な形の触感を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】  コルピッツ型ＬＣ発振回路を用いたセンサ素子チップの１実施例の説明図である。
【図３】  触覚分布人工皮膚の製作過程の説明図である。
【図４】  触感検知システムの１実施例の説明図である。
【符号の説明】
１：人工皮膚部材
２：センサ素子チップ
３：信号受信コイル
４：電力送信コイル
１４：高周波信号源
１５：周波数アナライザ
１６：処理装置
【図１】
0003739927.tif 000005
【図２】
0003739927.tif 000006
【図３】
0003739927.tif 000007
【図４】
0003739927.tif 000008