アプリケーションノート

多点圧力センサ及び駆動システム

株式会社リコー
産業技術総合研究所
2023.3

目次
1．概要 .................................................................................................................................................................................. 12. ハード仕様..................................................................................................................................................................... 12.1 システム構成 ........................................................................................................................................................ 12.2 センサ仕様 ............................................................................................................................................................. 32.3 駆動回路仕様 ....................................................................................................................................................... 33. データ通信仕様 ........................................................................................................................................................... 4
3.1 I/F............................................................................................................................................................................... 43.2 通信制御................................................................................................................................................................. 53.2.1 基本制御フロー ........................................................................................................................................... 53.2.2 各処理のフロー ........................................................................................................................................... 63.3 通信データ構造 ................................................................................................................................................... 93.3.1 データパケット構造 ..................................................................................................................................... 93.3.2 データペイロード形式 .............................................................................................................................. 103.3.3 制御例 ........................................................................................................................................................... 113.4 サンプルマクロ（Tera Term） ......................................................................................................................... 123.4.1 ターミナル設定 ........................................................................................................................................... 12
3.4.2 動作コマンド ................................................................................................................................................ 12
3.4.3 データ表示 ................................................................................................................................................... 13
4. アプリケーションソフト ............................................................................................................................................. 14
4.1 機能 ........................................................................................................................................................................ 14
4.2 画面表示例.......................................................................................................................................................... 14

1. 概要形状自由度の高いフレキシブルな多点圧力センサは、 ロボットハンド等に装着してロボットに触覚を付与する、あるいはグローブ等に装着してヒトの作業・動作をデジタル化することを可能とするデバイスです。
本アプリケーションノートでは、高い空間分解能を有する多点圧力センサ及び駆動システムの構成とデータハンドリングについて解説します。

2. ハード仕様
2.1 システム構成
本システムは、圧力センサシートとフレキシブル配線からなる多点圧力センサ、ドライバーIC を搭載した COF（Chip On Film）及び駆動ボードを主要パーツとしており、適宜、中継基板、変換基板及び中継ケーブルを用いて相互接続を行っています。以下に構成例を示します。
図 1 は 8X8=64 点の測定点を有する圧力センサを用いた場合の構成で、COF にはドライバーIC1個（写真裏面）が搭載されています。駆動方式は、X（走査線）-Y（データ線）マトリクスの線順次駆動です。ロボットハンドへの装着をはじめ、広範な活用が可能な構成です。

図 1 64 点センサを用いた構成

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図 2 は 4X4=16 点の測定点を有する圧力センサ 4 セット（合計 64 点の測定点）を用いた場合の構成（センサは 1 セットのみを図示）で、4X4 マトリクス 4 セットを変換基板の配線設計によって、8X8 マトリクスに変換しています。これにより、図 1 と同じ駆動回路を使用することができます。グローブに装着して指先の触圧や把持圧等を検知するのに適した構成となっています。この多点圧力センサをグローブに簡易装着した状態を図 3 に示します。フレキシブル配線の代わりに伸縮配線（オプション・非図示）を用いることにより、さらに良好な装着感を得ることができます。

図 2 16 点センサ X4 セットを用いた構成

図 3 多点圧力センサのグローブへの簡易装着状態

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2.2 センサ仕様
圧力センサシートは、フィルム基板にマトリクス状に配置された上下電極間に、印加圧力によって抵抗が変化する感圧層を形成した構造で、上下電極の交点が測定点になります。圧力センサ
シートには中継基板または変換基板に接続可能なフレキシブル配線が接合されています。センサの仕様を表 1 に示します。これ以外も設計変更により対応可能です。
表 1 センサの仕様

2.3 駆動回路仕様
駆動回路は、ドライバーIC を搭載した COF と駆動ボードからなり、線順次駆動により各点の感圧抵抗変化を電流値として読み取った後に A/D 変換を行い、感圧値（bit 値）として出力します。
駆動ボードの基本仕様を表 2 に示します。駆動センサ素子数は上記センサの測定点数と同義です。図 1 及び図 2 に示した駆動ボードは外部 I/F として USB モジュール（UM232H：FTDI 社）を実装したものですが、その他の I/F にも対応可能です。
表 2 駆動ボードの基本仕様

33. データ通信仕様
3.1 I/F
駆動ボード上の CPU-I/F に用意されるシリアル通信機能(UART)を USB モジュールにより変換します。モードとして以下の 2 種類が用意されます。
1. 仮想 COM ポートモード / COM ポート(UART)として認識
2. 専用ドライバーモード / USB デバイス(1 エンドポイント)として認識
USB モジュールの設定により上記を排他的に使用することが可能です。
各モードで使用するドライバーを表 3 に示します。詳細資料はメーカーサイトより入手ください。
[メーカー資料の一例]FTDT FTD2xx.DLL
FTD2XX Drivers Windows 2.12.28(x64) 2017-08-30
D2xx_Programmer’s_Guide(FT_000071)
表 3 各モードで使用するドライバー

仮想 COM ポート使用時の設定を表 4 に示します。ボーレートの変更（USB モジュールの設定変更含む）は可能です。
表 4 仮想 COM ポート時の設定

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3.2 通信制御
3.2.1 基本制御フロー
通信全体のシーケンスを図 4 に示します。ホストデバイスと駆動ボードが通信を開始する段階（通信開始フロー）とデータを受信する段階（データ受信フロー）に分けられます。

注）ストップコマンドに対する ACK 送信のタイミングはセンサデータ送信終了後
図 4 通信全体のシーケンス

53.2.2 各処理のフロー
リセット処理、ボード設定処理、処理スタート、データ受信処理、表示処理、ストップ処理及びエラー処理のフローを図 5～図 11 に示します。

図 5 リセット処理フロー

図 6 ボード設定処理フロー6

図 7 処理スタートフロー

図 8 データ受信処理フロー7図 9 表示処理フロー

図 10 ストップ処理フロー

図 11 エラー処理フロー

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3.3 通信データ構造
3.3.1 データパケット構造
パケットを構成する項目と byte 数を表 5 に示します。データがない場合にはデータ長、データペイロードはなくなり、ヘッダ＋コマンド＋パケット END で構成されます。
表 5 パケット各項目の byte 数

各項目の値を表 6 に示します。なお、パケットを連続でホストから送信する場合（駆動ボードからACK 処理を行わない場合）のパケット（コマンド）間隔は 30ms 以上としています。
表 6 各項目の値

93.3.2 データペイロード形式
データペイロード（形式 1、形式 2 及び形式 3）の構成を表 7～表 9 に示します。
表 7 データペイロード（形式 1）

表 8 データペイロード（形式 2）

表 9 データペイロード（形式 3）10

3.3.3 制御例
前記のルールに基づく制御例を図 12 に示します。

図 12 制御例

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3.4 サンプルマクロ（Tera Term）3.4.1 ターミナル設定
通信データはすべてバイナリコードのため、ターミナル設定をバイナリモードに切り替えます。
;Tera Term マクロコマンド バイナリモード
setdebug 2
3.4.2 動作コマンド;ResetSend $FF $00 $10 $FF
mpause 1000
;Tf コマンド 250ms;Send $FF $00 $11 $01 $05 $FF
Send $FF $00 $11 $02 $00 $FA $FF
mpause 1000
;Ts コマンド
Send $FF $00 $12 $02 $00 $05 $FF
mpause 1000
;Ton コマンド
Send $FF $00 $13 $02 $00 $05 $FF
mpause 1000
;Block_X コマンド
Send $FF $00 $14 $01 $01 $FF
mpause 1000
;Block_Y コマンド
Send $FF $00 $15 $01 $01 $FF
mpause 1000
;StartSend $FF $00 $FA $FF注) Tera Term では ACK コード受信処理を行わないため、コマンド間隔を持たせています。

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3.4.3 データ表示
スタートコマンド後に受信データが Tera Term のコンソール上に表示されます。CR_CF 処理などはないため改行は行われません。
［表示例］
FF 00 16 41 01 00 00 00 00 00 00 00 00 0E 08 05 05 06 06 09 05 0E 08 06 04 07 12 08 04 …
センサ素子データ（感圧値）を 8X8 マトリクス形式にするために、便宜的に改行を行うと下記のようになります。
FF 00 16 41 01; ヘッダーコード00 00 00 00 00 00 00 00-+0E 08 05 05 06 06 09 05|

0E 08 06 04 07 12 08 04|0F 08 05 05 06 06 08 04| センサ素子データ

0F 0A 05 04 06 06 08 04| 8x8 マトリクス 64byte

0F 08 04 05 05 07 09 04|

0F 08 05 05 07 06 09 09|

10 08 05 05 06 06 08 04-+FF; END コード

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4. アプリケーションソフト
4.1 機能ホストとしてローカル PC を使用する場合は、視覚効果を高めた表示機能を有する専用アプリケーションソフト（PressureSensorController）の利用が可能です。主な機能を表 10 に示します。
表 10 主な機能

4.2 画面表示例
図 13 に画面表示例を示します。図 1 の構成で、センサシート上に球体を載せた時の感圧値（bit値）分布を表しています。左が 8X8 センサ素子の感圧値（bit 値）テキスト表示、右が 2D 分布画像表示です。ノイズ除去フィルタ処理として、メディアンフィルタ（レベル 1）処理及びガウシアンフィルタ（レベル 1）処理を行っています。また、センサ設置状態に合わせるために 2D 表示分布画像を上下反転させています（表示反転・回転機能使用）。

図 13 画面表示例
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