立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

物体の硬さを検出できる多軸触覚センサに関する研究
Research on a tactile sensor that can measure object stiffness2171009

研究代表者

東京大学

IRT 研究機構特任研究員

Nguyen Thanh Vinh

[研 究 の 目 的］
高齢化社会に伴う介護・介助者不足を解決するため，我々の生活を支援するロボットの実現が期待されている。人と接触するロボットには様々な機能が求められるが，中でも特に重要なのが力と物体の硬さを容易に計測できることである[1, 2]。ロボットに搭載される力センサには，小型であるのはもちろんのこと，ロボットが正しく動作するために単一のセンサで様々な情報を得られることが求められる。また，ロボットが素早く動作するためには，センサ自身が高速応答できるように，できるだけシンプルな計測原理に基づいていることが望ましい。
物体の硬さを評価する従来の方法では，物体に押し付けたときの力と変位量を同時に計測する必要があるため，装置の小型化が困難であり，ロボットへの搭載が難しかった [3, 4]。近年，圧力とせん断力を同時に計測できる触覚センサが盛んに研究開発されている。中でも MEMS

図 1 (a) 提案したセンサの概要図 (b) 硬さの計測の原理 (c) センサの設計パラメータた。

技術を用いた触覚センサは，小型・高感度とそこで本研究の目的はさわるだけで物体の硬いった利点により，ロボットへの応用が期待ささを計測できる数 mm サイズの力センサを実れている。触感の中には物体の硬さの認識があ現することである。提案したセンサの構造を図り，例えばロボットハンドによる物体の把持や1 (a) に示す。センサチップの中央と両端に配手術ロボットにおける患部の診断などで重要な置される 3 つのピエゾ抵抗型カンチレバーと，情報となる [5, 6]。しかし，これまでの触覚セこれらを覆うゴムカバーで構成される。物体のンサでは，物体の硬さを推定するために，物体硬さの計測原理を図 1 (b) に示す。物体が柔がどれだけ変形したかという情報が必要であっ

らかいほど中央のカンチレバーに比べて左右の― 1 ―立石科学技術振興財団

図 2 シミュレーション結果
図3

カンチレバーが大きく変形するため，両端のカセンサの製作プロセスフロー

ンチレバーと中央カンチレバーの出力の比から物体の硬さが求められる。センサチップの設計
パラメータを図 1 (c) に示す。チップのサイズは 3 mm×3 mm×0.3 mm である。
[研究の内容，成果］
計測原理を検証するためにシミュレーションを行った。シミュレーションのモデルを図 2(a)に示す。センサの弾性体パッドのサイズは4 mm×2 mm×1 mm であった。弾性体パッドに 10 kPa の加重を印加した。対象物のヤング率を 10 4 Pa から 10 8 Pa の範囲に変えた。シ

図4

試作したセンサの写真

ミュレーション結果を図 2 (b) に示す。対象物の硬さが高くなれば，パッドの中央とパッドの端に配置されたカンチレバーのひずみの比率が小さくなったことがわかった。この結果から，提案したセンサは物体に押し付けるだけで，物体の硬さを推定できることが検証された。
センサの製作プロセスフローを図 3 に示す。
詳しいプロセスフローは [6] に報告された。試作したセンサを図 4 に示す。センサチップのカン チ レ バ ー の サ イ ズ は 125 μm×100 μm×20
図5μm であった。両面カプトンテープを用いてサンプルの硬さの計測結果の準備及びサンプルのヤング率の計測を行った。

PDMS パッドをセンサチップに貼り付けた。
試作センサを用いて，異なる硬さのサンプルサンプルとして Urethane resin，PDMS を利用に対して実験を行った。実験の前に，サンプルした。リニアステージに取り付けたフォース― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

Table 1

計測したサンプルの硬さ

Materials
Urethane resin A
Urethane resin B

Youngʼs modulus (kPa)(5.6±0.2)×10(6.2±0.3)×10

Urethane foam(8.2±0.1)×10

PDMS A

(3.5±0.7)×10 2

PDMS B(4.6±0.1)×10 2

図7

サンプルの硬さとセンサの出力との関係

図 6 実験セットアップ

中央のカンチレバーより両端のカンチレバーのゲージ (IMADA 社製， ZTS-50N) を各各サ変化率が大きかったことがわかった。両端のカンプルに押し付けた。リニアステージの変位とンチレバーの抵抗変化率の平均値と中央のカンフォースゲージで計測された押し付け力から各チレバーの抵抗変化率との比率を r で定義し，サンプルの硬さを計算した。計測結果を Table

サンプルの硬さと r との関係を図 7 (b) にしめ1 に示す。また，コントロールサンプルとしてす。物体のヤング率が高くなれば，r が小さく準備したサンプルより十分硬いであるアクリルなり，提案した計測原理と一致したことがわブロックを利用した。

かった。線形領域において r は押し付け力に依

実験セットアップを図 6 に示す。各サンプル存しないため，押し付け力を計測しなくても rの サ イ ズ は 図 5 (b) に 示 す よ う に，長 さ 15から物体の硬さを求めることが可能である。

mm，幅 15 mm，高さ 10 mm にカットされた。
[今後の研究の方向，課題］

リニアステージを用いて，センサを一定の速度(0.05 mm/s) で各サンプルに押し付けた。カ

提案したセンサは小型であるにもかかわらず，ンチレバーの抵抗変化率は計測回路で 1000 倍に増幅された後，スコープコーダ (横河電機社

押し付け量の計測が不要であり，計測原理がシ製，DL850) に記録された。

ンプルなので，ロボットへの応用に適している。

計測結果を図 7 に示す。各サンプルについて， これまでの実験では対象物の表面が平面に限らセンサチップの両端のカンチレバーの抵抗変化れたが，今後は曲面や凹凸がある面に対しても率の平均値とセンサチップの中央に配置された実験を行い，対象物の表面形状の影響を検証しカンチレバーの抵抗変化率との関係ていきたい。また，さらにセンサを小さくし，を図 7 (a) に示す。サンプルが柔らかいほど，ロボットハンドや手術冶具に取り付け，把持物― 3 ―立石科学技術振興財団

や患部の硬さを計測できることを検証していく[6]

Ryota Tanii, Thanh-Vinh Nguyen, Tomoyuki
Takahata and Isao Shimoyama, “Elasticity sensor

予定である。

using different tactile properties on one chip,” The
31th IEEE International Conference on Micro[参考文献］[1]

Electro Mechanical Systems (MEMS2018), Belfast,

H. Yousef, M. Boukallel, and K. Althoefer, “Tactile

Northern Ireland, pp. 862-865, Jan 21-25, 2018.

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robotics-A review”, Sensors and Actuators A :Physics, pp. 171-187, 2011.
[2]

J. Tegin, and J. Wikander, “Tactile sensing inintelligent robotic manipulation”, Ind. Robot, 32, pp.
64-70, 2005.
[3]

Y. R. Li, C. C. Su, W. J. Lin, and S. H. Chang,“Piezoelectric sensor to measure soft and hard
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[4]

S.T. Szewczyk, W.Y. Shih, W. Shih, “Palpationlike
soft-material elastic modulus measurement using
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Sieber, M. Yanagihara, and M. Fujie, “Miniaturized
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[5]

M. E. H. Eltaib, and J. R. Hewit, “Tactile sensing

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Mechatronics, 13, pp. 1163-1177, 2003.

プロシーディング
RyotaTanii,

Thanh-Vinh

Nguyen,Takahata and Isao Shimoyama, “Elasticity sensor
using different tactile properties on one chip,” The
31th IEEE International Conference on Micro
Electro Mechanical Systems (MEMS2018), Belfast,
Northern Ireland, pp. 862-865, Jan 21-25, 2018.
特許出願
下山勲，高畑智之，グェンタンヴィン，谷井涼太，“硬さセンサおよび硬さセンサアレイ並びに硬さ検出方法”，特願 2018-006947
プレスリリースhttp : //www. leopard. t. u-tokyo. ac. jp/press/Final_press_release_MEMS_v0123_for_website. pdf
報道｢チップ状の触覚センサー，東大，ロボットの手器用に」，日経産業新聞，2018 年 2 月 13 日― 4 ―Tomoyuki