JP2006017671A - せん断力検出方法及びすべり検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】せん断力検出構造を持たない簡単な構造の分布型センサを用いてせん断力を検出できるようにする。
【解決手段】複数の感圧素子１が分布された分布型感圧センサＳを物体に接触させ、その接触物体Ｔとの間に圧力のみが働く状態で複数の感圧素子１の全ての出力状態を記録しておき、外界の幾何学的拘束などにより実際の接触位置が動いていないことを確認しつつ、複数の感圧素子１の全ての出力を周期的に観測し、その周期的に観測している感圧素子１の出力と先に記録している出力状態とを比較して出力領域の変化を調べ、その出力領域が移動または一方向に広がっている場合にせん断力τが発生していると判定すると同時に、そのせん断力τの方向を判定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、分布型感圧センサを用いてせん断力を検出するせん断力検出方法及びそのせん断力の検出情報に基づいてすべりを検出するすべり検出方法に関する。

分布型感圧センサの１つとして、圧力分布と摩擦力分布とを一度に測るセンサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１に記載の分布型感圧センサは、相互に嵌合する形状の多数の凹凸を対向面に有する一対の圧板と、それらの圧板の対向面間に挟まれたシート状の感圧導電性素材とを備えており、上記圧板の対向面の凹凸の頂面、底面及びそれらの中間平面にそれぞれ対向する電極を配設して検出部を構成し、その各検出部における電極間の導電性を検出する検出手段を設けている。そして、検出した導電性に基づいて圧板の外側面であるセンサ面に垂直方向に作用する圧力分布及びセンサ面と平行に作用する摩擦力（せん断力）分布を測定する構造となっている。
特開２００３−９８０２２号公報

ところで、上記した特許文献１に記載の分布型感圧センサによれば、センサを曲げて小径の略円筒面に当てはめた場合、上下の傾斜面同士の平行性が半径の差によってずれたり、曲げによる内部応力が傾斜面のセンサ出力に現れたりして、そのままでは使えない可能性がある。また、特許文献１に記載の分布型感圧センサを含む従来の触覚センサにおいて、せん断力やすべりを検出する場合、同一センサ内にせん断力検出用の素子を追加するという方法が採られており、センサ構造が複雑になっている。さらに、検出素子数が多くなるため、信号処理負荷の増大、センサやセンサを搭載するロボットフィンガやハンドの大型化が問題となってきている。

本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、せん断力検出構造を持たない簡単な構造の分布型感圧センサを用いてせん断力を容易に検出することが可能なせん断力検出方法を提供すること、及び、そのようなせん断力検出方法の検出情報に基づいてすべりを検出するすべり検出方法を提供することを目的とする。

本発明のせん断力検出方法は、円筒面などの凸曲面上に複数の感圧素子が分布され、それら感圧素子の全体が表面層で覆われてなる分布型感圧センサを用いてせん断力を検出する方法であって、前記分布型感圧センサを物体に接触させ、その接触物体との間に圧力のみが働く状態で前記複数の感圧素子の全ての出力状態を記録しておき、前記接触物体との接触位置が変化しない条件のもとで前記複数の感圧素子の全ての出力を周期的に観測し、その周期的に観測している感圧素子の出力と先に記録している出力状態とを比較して出力領域の変化を調べ、その出力領域が移動または一方向に広がっている場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向（向き）を判定することを特徴としている。

本発明の検出方法をより具体的に説明する。

まず、円筒面などの凸曲面上に複数の感圧素子が分布され、それら感圧素子の全体が表面層で覆われてなる分布型感圧センサを用い、その分布型感圧センサを物体に押し付けたとき、接触位置の感圧素子に出力が現れる。さらに、物体から剪断力を受けると、表面層が剪断力方向に微動し、物体と非接触な位置にある非接触領域の感圧素子にも圧力が加わって出力が現れる。従って、接触時点で全感圧素子の出力を記憶装置に記録しておき、その後、外界の幾何学的拘束などにより実際の接触位置が動いていないことを確認しつつ、周期的に全感圧素子の出力を観測して先に記録した記録値と比較し、出力領域が変化した場合に剪断力が発生したと判定し、同時に剪断力の方向（向き）を判定する。さらに、剪断力の方向が一定で強度（非接触領域の感圧素子の出力）が時間とともに振動変化をしている場合、すべりが起きていると判定する。

本発明のせん断力検出方法において、接触物体との間に圧力のみが働く状態での複数の感圧素子を多段階のデジタル値に変換して記録しておき、周期的に観測している複数の感圧素子の出力を多段階のデジタル値に変換して重心を求め、その重心位置と前記記録のデジタル値の重心位置とを比較して、重心の位置ずれがある場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向（向き）を判定するようにしてもよい。

また、接触物体との間に圧力のみが働く状態での複数の感圧素子を２段階のデジタル値に変換して記録しておき、周期的に観測している複数の感圧素子の出力を２段階のデジタル値に変換して図心を求め、その図心位置と前記記録のデジタル値の図心位置とを比較して、図心の位置ずれがある場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向（向き）を判定するようにしてもよい。

本発明のすべり検出方法は、上記した特徴を有するせん断力検出方法によって判定されたせん断力の方向が一定でそのせん断力の強度が時間とともに振動変化している場合にすべりが発生していると判定することを特徴としている。

本発明によれば、分布型感圧センサを物体に接触させ、その接触物体との間に圧力のみが働く状態で複数の感圧素子の全ての出力状態を記録しておき、接触物体との接触位置が変化しない条件のもとで複数の感圧素子の全ての出力を周期的に観測し、その周期的に観測している感圧素子の出力と先に記録している出力状態とを比較して出力領域の変化を調べ、その出力領域が移動または一方向に広がっている場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向を判定するようにしているので、せん断力検出構造を持たない分布型感圧センサを用いてせん断力を検出することができる。また、せん断力の検出情報に基づいてすべりの発生も検出することできる。

このように、法線方向の力のみを検出する感圧素子配置を用いた分布型感圧センサでせん断力及びすべりを検出することができるので、小径の略円筒面上に複数の感圧素子を分布した分布型センサであっても、せん断力及びすべりの検出が可能となり、ロボットの指先などの小型略円筒部分での検出に有効に利用することができる。また、全ての感圧素子を圧力検出専用の素子として使用するので、せん断力検出構造を有するものに比べて、圧力検出の位置分解能を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−分布型感圧センサ−
図１は本発明のせん断力検出方法に用いる分布型感圧センサの構造を模式的に示す図である。

図１に示す分布型感圧センサＳは、円筒面分布型感圧センサであって、複数の感圧素子１・・１と、外周面が円筒面であるコア２とを有し、そのコア２の外周面に感圧素子１・・１が配列されている。感圧素子１・・１の全体は表面層３にて覆われており、その表面層３はコア２に結合部４を介して結合されている。なお、この例の分布型感圧センサＳには、図１の紙面と直交する方向（奥行き方向）にも複数の感圧素子１が配列されている。

感圧素子１は、コア２の法線方向に作用する力を検出して出力する。感圧素子１の具体的な例としては、例えば、導電性ゴムや導電性インクなどの感圧導電性材料に、マトリクス配置の電極または個別ペアの正負電極を組み合わせた構造のもの、あるいは、圧電素子が利用可能である。

コア２は、円柱形状の部材であって、その外周面が円筒面となっている。なお、コア２の外周面は円筒面に限られることなく、円筒面（真円）に近い曲率の略円筒面であってもよいし、他の曲率の凸曲面であってもよい。

表面層３は複数の感圧素子１・・１の全体を覆うように配置されている。表面層３を構成する材料は、感圧素子１の検出領域を分散・均一化すること、及び、対象物体Ｔとの摩擦を大きくする等の観点から、柔軟性のある材料が適している。なお、せん断力検出の観点からは硬い材質でも構わない。

結合部４は、表面層３がコア２から離れること、及び、コア２に対して際限なくすべり移動することを防ぐために設けられている。なお、感圧素子１と表面層３とは結合されておらず、表面層３が感圧素子１に対してすべり移動が可能である。また、表面層３は、感圧素子１が配置されていない領域で結合部４を介してコア２に結合されている。

以上の分布型感圧センサＳの各感圧素子１の出力は、図２に示すように、検出処理装置１０に入力される。検出処理装置１０は、ＣＰＵ等の計算装置１１と半導体メモリ等の記憶装置１２とを備えている。

＜実施例１＞
次に、以上の分布型感圧センサＳを用いてせん断力及びすべりを検出する方法の実施例を説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、分布型感圧センサＳに対象物体Ｔから圧力Ｐだけが加えられた状態（基準状態）で、分布型感圧センサＳの全ての感圧素子１・・１の出力を計算装置１１にて多段階のデジタル値に変換して記憶装置１２に基準出力状態として記録する。

このような基準出力状態の記録が完了した後、検出処理装置１０の計算装置１１によって分布型感圧センサＳの全ての感圧素子１・・１の出力を周期的に観測する。このとき、実際の接触位置が動いていないことを、周囲の幾何学的拘束条件などで確認しておく。例えば、この例の分布型感圧センサＳをロボットの指に使用する場合、対象物体Ｔを複数の指で保持し物***置を拘束して、接触位置が固定された条件とする。

次に、周期的に観測している感圧素子１・・１の出力を多段階のデジタル値に順次変換し、そのデジタル変換後の圧力データの重心を求めるとともに、その重心位置と記憶装置１２に記録しているデジタル値（圧力データ）の重心位置とを順次比較して、重心の位置ずれがある場合にせん断力が発生していると判定する。

具体的には、例えば図３（ｂ）に示すように、図中下方向へのせん断力τが加わると、分布型感圧センサＳの表面層３が下向きに引っ張られ、分布型感圧センサＳの上側の非接触領域Ｂの感圧素子１にも力が加わって出力が現れるので、観測しているセンサ出力の出力領域が基準出力状態に対して上側に広がって重心位置が上方向にずれる。このような重心位置のずれが生じた場合、せん断力τが発生していると判定する。さらに、重心位置のずれが上向きであるので、せん断力τが下向きにかかったものと判定する。また、このような検出処理にて判定されたせん断力τの方向が一定であり、そのせん断力τの強度つまり非接触領域Ｂの感圧素子１の出力が時間とともに振動変化している場合にすべりが発生していると判定する。

以上のように、この実施例によれば、感圧素子１のみを用いた分布型感圧センサ（円筒面分布型感圧センサ）Ｓを使用してせん断力及びすべりを検出することができるので、ロボットの指先などの小型略円筒部分での検出に有効に利用することができる。

ここで、以上の例では、分布型感圧センサＳの全ての感圧素子１・・１の出力を多段階のデジタル値に変換して重心を求めているが、感圧素子１・・１の出力を２段階のデジタル値に変換して図心を求め、その図心の位置ずれに基づいてせん断力及びすべりを検出するようにしてもよい。この場合のせん断力・すべりの検出処理も重心の場合と同様な手法で行うことができる。

また、２段階のデジタル変換を行って判定を行う場合（２値観測）、基本検出状態（図３（ａ））で出力領域Ａに存在する感圧素子１の上端及び下端の位置（素子端部位置）を記録しておき、出力を発生する感圧素子１が、記録している素子端部位置から移動した場合にせん断力が発生していると判定し、さらにその移動の向きが上側である（図３（ｂ））、せん断力が下向きにかかったものと判定するようにしてもよい。

ここで、この例に用いる分布型感圧センサＳにおいては、表面層３の材質により、せん断力の伝わり方が異なる。その具体的な例を以下に説明する。

まず、表面層３の材質として、比較的曲げやすいが伸びにくい材質を用いた場合、図４に示すように、対象物体Ｔとの接触位置でのせん断力τにより、表面層３が下方向へ引っ張られ、コア２に対してすべり移動することにより上側の隙間が狭まり、非接触領域Ｂの感圧素子１に圧力が加わる構造となる（実施例２−１）。

また、表面層３の材質を硬い材質とした場合、表面層３は剛体と見なせるので、図３（ｂ）に示すように、対象物体Ｔとの接触位置での圧力とせん断力の合力によって表面層３の全体が微小移動して、非接触領域Ｂの感圧素子１に圧力が加わる構造となる（実施例２−２）。

さらに、図１の分布型感圧センサＳにおいて、感圧素子１の外面と表面層３との間に柔軟材料を挟んで感圧素子１と表面層３とを結合した構造とした場合、感圧素子１と表面層３はすべり移動が不可能となるので、表面層３には硬い材質を用いた上記実施例２−２と同様の原理で、非接触領域Ｂの感圧素子１に圧力が加わる構造となる（実施例２−３）。

＜実施例３＞
図５は本発明の他の実施例の説明図である。

この例では、２つの分布型感圧センサＳ，Ｓを用いてせん断力を検出する点に特徴がある。具体的には、２つの分布型感圧センサＳ，Ｓによって柱状の物体Ｔ１を両側から挟んでせん断力を検出する。このとき、２つの分布型感圧センサＳ，Ｓによる幾何学的拘束から、接触位置が変化しないことが分かっているので、２つの分布型感圧センサＳ，Ｓで物体Ｔ１を挟んだ時点で接触位置の感圧素子１の出力を記録しておき、その後、感圧素子１の出力が変化したときには、２つの分布型感圧センサＳ，Ｓに加わったせん断力の方向を総合することで、並進力Ｆ１（図５（ａ））、あるいは、ねじり力Ｆ２（図５（ｂ））が加わったことを判定することができる。この例において、各分布型感圧センサＳ，Ｓによるせん断力の検出は前記した＜実施例１＞と同じ処理にて判定する。

なお、複数の分布型感圧センサＳ，Ｓを用いて物体を挟んだ場合、各センサ同士の内力によるせん断力が発生する可能性があるが、その発生したせん断力は本発明の方法では検出することができないので、このような場合は、物体を挟んだ際に外力が無い状態での感圧素子１の出力を記録して基準とすることで、物体への外力によるせん断力を検出することが可能になる。

ここで、本発明の検出方法によれば、せん断力検出構造を持たない簡単な構造の分布型感圧センサを用いてせん断力及びすべりを検出することができるので、複数の指機構部で物体の把持を行うロボットハンドの指先などの小型略円筒部分での検出に有効に利用することができる。本発明の検出方法を適用するロボットハンドについて以下に説明する。

まず、人の手と同様の構造を有するロボットハンドは、手のひらに相当するベースに複数の指機構部が装着され、その各指機構部は複数の関節部を介して複数のフレーム部を順次連結させて構成されている。そして、各関節部を作動させるアクチュエータが、適宜の箇所に設けられている。このようなロボットハンドは、複数の指機構部で物体の把持を行うだけでなく、上記した実施例の分布型感圧センサ（円筒面分布型センサ）Ｓを搭載し、上記検出処理によりせん断力やすべりを判定することで、硬度・材質・形状・表面状態等の異なる多種多様な物体の把持を実現することができる。

図６〜図９は、ロボットハンドの一例を示しており、図６はロボットハンドを手の甲側から見た平面図（上面図）、図７は親指側から見た側面図、図８は小指側から見た側面図、図９は手のひら側から見た平面図（下面図）である。

ロボットハンドは、手のひらに相当するベース１０１と、ベース１０１に装着されている複数本（この例では人間の指と同じ５本）の指機構部１０２，１０３，１０４，１０５，１０６と、各指機構部１０２，１０３，１０４，１０５，１０６を駆動する駆動部とを備えている。駆動部は、アクチュエータとしての複数のモータと、各モータの駆動力を指機構部１０２，１０３，１０４，１０５，１０６に伝達する動力伝達部としてワイヤー（図示せず）とを備えている。

駆動部であるモータは、ベース１０１部分において３平面に納められている。第１の平面上に親指用指機構部１０２を駆動する親指用モータ１１２，１１３，１１４が配置されており、第２の平面上に人差指用指機構部１０３を駆動する人差指用モータ１１６，１１７，１１８と、薬指用指機構部１０４及び小指用指機構部１０５を駆動する薬指・小指用モータ１２１とが配置されている。また、第３平面上に、親指用指機構部１０２を手のひらと平行に駆動するモータ１１１と、人差指用指機構部１０３を手のひらと平行に駆動するモータ１１５とが配置されているとともに、中指用指機構部１０４を駆動する中指用モータ１１９，１２０が配置されている。

各指機構部１０２，１０３，１０４，１０５，１０６は、３つの関節部１２３，１２４，１２５と、この関節部１２３，１２４，１２５によって連結された２つのフレーム部１２６，１２７及び１つの指先部１２８とからなり、各関節部１２３，１２４，１２５はそれぞれ上記の対応するモータで駆動される。

このような構造のロボットハンドにおいて、上記した実施例の分布型感圧センサ（円筒面分布型センサ）Ｓを指先部１２８などに装着し、上記検出処理によりせん断力やすべりを検出することで、硬度・材質・形状・表面状態などが異なる多種多様な物体のスムーズな把持が可能となる。

本発明は、せん断力検出構造を持たない分布型感圧センサを用いてせん断力及びすべりを検出することができるので、例えば、複数の指機構部で物体の把持を行うロボットハンドの指などの小型略円筒部分での検出に有効に利用することができる。

本発明に用いる分布型感圧センサの構造を模式的に示す図である。 本発明のせん断力検出方法を実施する装置の構成を示すブロック図である。 図１の分布型感圧センサに圧力を負荷したときの状態（ａ）と圧力とせん断力を負荷したときの状態（ｂ）を併記して示す図である。 図１の分布型感圧センサの結合部の説明図である。 ２つの分布型感圧センサを用いて並進力を検出する場合の例（ａ）とねじり力を検出する場合の例（ｂ）を併記して示す図である。 ロボットハンドを手の甲側から見た上面図である。 ロボットハンドを親指側から見た側面図である。 ロボットハンドを小指側から見た側面図である。 ロボットハンドを手のひら側からみた下面図である。

符号の説明

Ｓ 分布型感圧センサ
１ 感圧素子
２ コア
３ 表面層
４ 結合部
１０ 検出処理装置
１１ 計算装置
１２ 記憶装置
Ｔ 対象物体
Ｔ１ 柱状の物体
Ｐ 圧力
τ せん断力
Ｆ１ 並進力
Ｆ２ ねじり力

Claims (4)

1. 凸曲面上に複数の感圧素子が分布され、それら感圧素子の全体が表面層で覆われてなる分布型感圧センサを用いてせん断力を検出する方法であって、
   前記分布型感圧センサを物体に接触させ、その接触物体との間に圧力のみが働く状態で前記複数の感圧素子の全ての出力状態を記録しておき、前記接触物体との接触位置が変化しない条件のもとで前記複数の感圧素子の全ての出力を周期的に観測し、その周期的に観測している感圧素子の出力と先に記録している出力状態とを比較して出力領域の変化を調べ、その出力領域が移動または一方向に広がっている場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向を判定することを特徴とするせん断力検出方法。
2. 請求項１記載のせん断力検出方法において、接触物体との間に圧力のみが働く状態での複数の感圧素子を多段階のデジタル値に変換して記録しておき、周期的に観測している複数の感圧素子の出力を多段階のデジタル値に変換して重心を求め、その重心位置と前記記録のデジタル値の重心位置とを比較して、重心の位置ずれがある場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向を判定することを特徴とするせん断力検出方法。
3. 請求項１記載のせん断力検出方法において、接触物体との間に圧力のみが働く状態での複数の感圧素子を２段階のデジタル値に変換して記録しておき、周期的に観測している複数の感圧素子の出力を２段階のデジタル値に変換して図心を求め、その図心位置と前記記録のデジタル値の図心位置とを比較して、図心の位置ずれがある場合にせん断力が発生していると判定すると同時に、そのせん断力の方向を判定することを特徴とするせん断力検出方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のせん断力検出方法によって得られたせん断力の情報に基づいてすべりを検出する方法であって、前記せん断力検出方法によって判定されたせん断力の方向が一定でそのせん断力の強度が時間とともに振動変化している場合にすべりが発生していると判定することを特徴とするすべり検出方法。
   
   

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