JP2013101096A - 柔軟触覚センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板1上に固定した発光素子2及び受光素子3と、発光素子2及び受光素子3を覆うように設けられた光透過性弾性部材からなる触覚部4と、を備え、発光素子2と受光素子3は、前記光透過性弾性部材の部分を介して離間対向しており、発光素子2から出射された光は、前記発光素子と前記受光素子との間の光透過性弾性部材の部分を透過して受光素子3で受光され、触覚部4に外力が加えられた時の前記光透過性弾性部材の部分の密度変化に伴う受光素子3で受光される光量の変化を取得する。
【選択図】図2A
Description
本発明の他の目的は、光透過性弾性部材の変形が当該センサの他の構成要素に与える影響を低減しつつ、センサ自体が多軸の柔軟変形が可能で、かつ、その変形を検知できる柔軟触覚センサを提供することにある。
基板と、
基板上に固定した発光素子及び受光素子と、
基板上に、前記発光素子及び前記受光素子を覆うように設けられた光透過性弾性部材からなる触覚部と、を備え、
前記発光素子と前記受光素子は、前記光透過性弾性部材の部分を介して離間対向しており、前記発光素子から出射された光は、前記発光素子と前記受光素子との間の光透過性弾性部材の部分を透過して前記受光素子で受光され、
前記触覚部に外力が加えられた時の前記光透過性弾性部材の部分の密度変化に伴う受光素子で受光される光量の変化を取得する、
柔軟触覚センサ、である。
1つの態様では、前記発光素子の光軸と前記受光素子の受光面の法線は略一致している。
1つの態様では、前記変形阻害体は、前記基板上に固定されている。
1つの態様では、前記複数の発光素子・受光素子組の一部あるいは全部は、変形阻害体を備えた発光素子・受光素子・変形阻害体組である。
1つの態様では、前記基板上には、4組の発光素子・受光素子・変形阻害体組が配置されている。
1つの態様では、前記4組の発光素子・受光素子・変形阻害体組は、前記触覚部の下面の周辺に位置させて前記基板上に配置されている。
1つの態様では、前記4組の発光素子・受光素子・変形阻害体組のうち、2組の発光素子・受光素子間の光軸は第1の方向に延びており、残りの2組の発光素子・受光素子間の光軸は第1の方向とは異なる第2の方向に延びている。
1つの態様では、前記第2の方向は前記第1の方向に対して垂直である。
1つの態様では、光軸が第1の方向に延びる2組の発光素子・受光素子・変形阻害体組の各組の変形阻害体は、第1の方向に延びる光軸に対して互いに異なる側に配置されており、
光軸が第2の方向に延びる2組の発光素子・受光素子・変形阻害体組の各組の変形阻害体は、第2の方向に延びる光軸に対して互いに異なる側に配置されている。
1つの態様では、前記基板上には、触覚部の下面の中央に位置して1組の発光素子・受光素子組が配置されている。
1つの態様では、このような柔軟触覚センサシートはロボット用柔軟外装として用いられる。
1つの態様では、柔軟触覚センサシートは、接触面となる表面と、裏面と、を備え、前記触覚センサは裏面に形成された凹部に嵌め込まれている。
本発明では、発光素子、受光素子は共に基板に固定されているので、触覚部の変形の影響を受けるような接続配線部(光透過性弾性部材内に浮いている)が不要である。
基板上に発光素子・受光素子・変形阻害体組を複数設けた柔軟触覚センサでは、触覚部が多軸の柔軟変形が可能で、かつ、その多軸の変形を認識することができる。
図2Aに示すように、単一の基板1上に発光素子2と受光素子3を配置し、これを光透過性弾性部材として例示する発泡ウレタンによって覆うことで触覚部4を形成してなる柔軟触覚センサを提案する。発光素子2と受光素子3は離間対向している。発光素子2から出射される光の光軸と、受光素子3の受光面の法線は略一致している。離間する発光素子2と受光素子3との間には、触覚部4を構成するウレタンの部分が介在している。柔軟触覚センサの触覚部4に外力が加えられた際、触覚部4を形成する発泡ウレタンに変形が生じるため、発光素子2と受光素子3との間のウレタンの部分も圧縮される。発光素子2と受光素子3間の距離は一定であるが、発光素子2と受光素子3との間の発泡ウレタンの部分に密度変化が生じることから受光素子3が受ける光量が変化する。受光素子3の出力変化を計測することで、触覚部4に加えられた力を検出することができる。また、図3C、図4等に示すように、基板1上に複数の発光素子と受光素子を対にして配置し、さらに意図的に外力によるウレタンの変形を阻害する変形阻害体5を配置することで、上面からの圧縮荷重のみでなく、横方向からの力を含めた複数軸の力の検出が可能となる。なお、図面において、太い実線の矢印は触覚部4に作用する力を示し、点線の矢印は発光素子から出射される光の光軸を示している。
発泡ウレタンを用いた密度変化実験を行った。実験の概略図を図1Aに示す。
(1)同密度の発泡ウレタンを複数個用意する。
(2)一定の距離に保たれた発光素子−受光素子間に1個の発泡ウレタンを挿入する。
(3)ウレタンが挿入された状態の受光素子からの出力を計測する。
(4)発光素子−受光素子間の距離を保った状態で挿入するウレタンの個数を増やし、出力を計測する。
結果を図1Bに示す。出力(電圧)の変化と密度(個数)の変化との間に相関があり、予測理論値と一致することが確認された。
図2Aに示すように、柔軟触覚センサは、基板1と、基板1上に離間対向させて固定した発光素子2及び受光素子3と、基板1上に、発光素子2及び受光素子3を覆うように設けられた光透過性弾性部材としての発泡ウレタンからなる触覚部4と、を備えている。発光素子2と受光素子3との間にも発泡ウレタンが設けてあり、発光素子2と受光素子3は、発泡ウレタンの部分を介して離間対向している。発光素子2から出射された光は、発光素子2と受光素子3との間の発泡ウレタンの部分を透過して受光素子3で受光される。発光素子2と受光素子3との間の発泡ウレタンの部分は、発光素子2から出射された光の導光路を形成しており、発光素子2から出射された光の光軸は発光素子2と受光素子3との間の発泡ウレタンの部分を通って延びている。図示の態様では、光軸は基板1の上面に平行に延びているが、光軸の方向は必ずしも基板1に平行なものに限定されるものではない。
本明細書において、発光素子2と、当該発光素子2から出射された光を受光する受光素子3と、の組を、発光素子・受光素子組という。図2Bでは、1つの基板1上に複数の発光素子・受光素子組を配置した態様を示している。触覚部4は、4つの側面40、41、42、43、上面44、下面45を備えた直方体であり、下面45は基板1上に密接している。触覚部4は平面視方形(正方形)であり、下面45は、第1辺(側面40の下端)、第2辺(側面41の下端)、第3辺(側面42の下端)、第4辺(側面43の下端)を備えた方形(正方形)である。図2Bでは、基板1は、下面45と同寸の平面視方形(正方形)であり、この場合、触覚部4の下面の第1辺、第2辺、第3辺、第4辺は、それぞれ、基板1の第1辺、第2辺、第3辺、第4辺に対応するが、実際の態様では、例えば、図5Aに示すように、基板1の上面の面積は、触覚部4の下面の面積よりも大きく設定され得る。
図3Aは、触覚部4を形成する発泡ウレタン4内に変形阻害体5を設ける態様を示す。変形阻害体5を発光素子2から出射される光の光軸に並行して配置することで、特定の方向からの作用する力による変形を意図的に阻害し、力のかかる方向による受光素子3の出力(光量を変換した電圧)に偏りを持たせる。変形阻害体5は、触覚部4を形成する光透過性弾性部材(発泡ウレタン)よりも硬質の材料から形成され、例えば、光透過性弾性部材を形成する発泡ウレタンよりも硬質のウレタン、樹脂、セラミックス等から形成され得る。発光素子2と受光素子3との間のウレタンの部分は、長尺状の部分であり、例えば、当該長尺状の部分の左右のいずれか一方に隣接させて変形阻害体5を配置する。
本明細書において、発光素子2と、当該発光素子2から出射された光を受光する受光素子3と、の組に、さらに変形阻害体5を加えた組を、発光素子・受光素子・変形阻害体組という。図3Cは、図2Cに示す発光素子・受光素子組の各組に変形阻害体が加えられた複数の発光素子・受光素子・変形阻害体組を示す。
図5Aに、柔軟触覚センサの一実施形態の全体概略斜視図を示す。柔軟触覚センサは、長方形状の基板1と、基板1上に固定した複数の発光素子・受光素子組と、基板1上に、複数の発光素子・受光素子を覆うように設けられた発泡ウレタンからなる直方体状の触覚部4と、を備えている。触覚部4は平面視方形(正方形)状であり、基板1の上面の露出部位(触覚部4が設けていない部位)には、2つのコネクタ(端子)10が形成されている。
図6Aに示すように、基板1上には触覚部4内に位置して、2組の発光素子・受光素子組が配置されている。第1組の発光素子20と受光素子30は、触覚部4の側面40、42に沿った第1方向に離間対向しており、発光素子20から出射される光は第1方向に延びる。第2組の発光素子21と受光素子31は、触覚部4の側面40、42に沿った第1方向に離間対向しており、発光素子21から出射される光は第1方向に延びる。
触覚部4を形成する光透過性弾性部材の素材によっては、光透過性弾性部材の変形が面によって行われず、局所的に行われる場合があり得る(図7A左図参照)。そこで、光透過性弾性部材内に変形のサポートをするための物体を埋設することで変形に均一性を持たせることを考える。
本実施形態に係る柔軟触覚センサを複数個、ウレタンシートに埋め込むことで、触覚パッドや柔軟肉質外装を構成することができる。図8に示すように、ウレタンシート7に所定間隔で埋め込み穴を形成し、各穴に柔軟触覚センサを埋め込み、配線を行うことで触覚パッドや柔軟肉質外装を形成する。シート状の柔軟外装に埋め込む形をとることで硬い外装を持ったロボットにも簡単に取り付けることができる。なで・つねりといった摩擦の多い動作を行っても、センサ自体が柔軟であるため、外装表面からセンサの存在による違和感を覚えることはなく、自然な触り心地である。センサ自体が柔軟で変形するので外装の表面の変形に追従可能である。
発光素子、受光素子が図9Aのように配置されたセンサを用いて実験を行った。センサは4組の発光素子・受光素子組を備え、第1組の出力をCh1、第2組の出力をCh2、第3組の出力をCh3、第4組の出力をCh4とする。基板上に形成されるウレタンの寸法は縦×横×高さ(厚さ):65×65×42mmである。
対向発光素子・受光素子組に加えて、非対向発光素子・受光素子組を用いた実施形態について説明する。図10において、基板1上には、触覚部(ウレタン)4内に位置するように、複数の発光素子(LED)L1〜L5、受光素子(フォトトランジスタ)P1〜P5が互いに離間して設けられている。
●押下部位
000:ウレタン上面の第1辺と第4辺の隅部近傍(発光素子L4、受光素子P1の背面側の上方部位)
001:発光素子L1の光軸の上方部位
002:ウレタン上面の第1辺と第2辺の隅部近傍(発光素子L1、受光素子P2の背面側の上方部位)
003:発光素子L4の光軸の上方部位
004:発光素子L5の光軸の上方部位
005:発光素子L2の光軸の上方部位
006:ウレタン上面の第4辺と第3辺の隅部近傍(発光素子L3、受光素子P4の背面側の上方部位)
007:発光素子L3の光軸の上方部位
008:上面の第2辺と第3辺の隅部近傍(発光素子L2、受光素子P3の背面側の上方部位)
●対向点灯
Ch1:第1組(発光素子L1からの光を受光した受光素子P1)の出力
Ch2:第2組(発光素子L2からの光を受光した受光素子P2)の出力
Ch3:第3組(発光素子L3からの光を受光した受光素子P3)の出力
Ch4:第4組(発光素子L4からの光を受光した受光素子L4)の出力
Ch5:第5組(発光素子L5からの光を受光した受光素子P5)の出力
(1)触覚センサのマイクロコンピュータ(記憶部)に対向点灯パターンのプログラムを書き込む。
(2)触覚部の上面の点000に押し付け試験機をセットする。
(3)点000をCh1〜Ch5のCh毎の計測のため5回押下し、触覚部の変位、荷重、各Chの出力を計測する。
(4)手順(2)〜(3)を点001〜008まで繰り返す。
結果を図12(A)〜(I)に示す。各図において、三日月状の線は、作用した力を示している。
Ch1:第6組(発光素子L4からの散乱光を受光した受光素子P1)の出力
Ch2:第7組(発光素子L1からの散乱光を受光した受光素子P2)の出力
Ch3:第8組(発光素子L2からの散乱光を受光した受光素子P3)の出力
Ch4:第9組(発光素子L3からの散乱光を受光した受光素子P4)の出力
Ch5:第5組(発光素子5からの光を受光した受光素子P5)の出力
(1)触覚センサのマイクロコンピュータ(記憶部)に非対向点灯パターンのプログラムを書き込む。
(2)触覚部の上面の点000に押し付け試験機をセットする。
(3) 点000をCh1〜Ch5のCh毎の計測のため5回押下し、触覚部の変位、荷重、各Chの出力を計測する。
(4)手順(2)〜(3)を点001〜008まで繰り返す。
計測結果を、図13(A)〜(I)に示す。各図において、三日月状の線は、作用した力を示している。
基板と、
基板上に固定した複数の発光素子及び複数の受光素子と、
基板上に、前記発光素子及び前記受光素子を覆うように設けられた光透過性弾性部材からなる触覚部と、を備え、
前記複数の発光素子と前記複数の受光素子は、前記光透過性弾性部材の部分を介して互いに離間対向しており、前記発光素子から出射された光は、前記発光素子と前記受光素子との間の光透過性弾性部材の部分を透過して、あるいは/および、光透過性弾性部材からの散乱光として、前記受光素子で受光され、
前記触覚部に外力が加えられた時の前記光透過性弾性部材の部分の密度変化に伴う受光素子で受光される光量の変化を取得するものであり、
前記複数の発光素子及び前記複数の受光素子から選択された発光素子及び受光素子によって、N(n≧2)個の発光素子・受光素子ペアが形成されており、
N個の発光素子・受光素子ペアの各発光素子を異なるタイミングで切り替え発光させる制御部を備えている、柔軟触覚センサ。
2 発光素子
3 受光素子
4 触覚部
5 変形阻害体
6 プレート
7 ウレタンシート
Claims (18)
- 基板と、
基板上に固定した発光素子及び受光素子と、
基板上に、前記発光素子及び前記受光素子を覆うように設けられた光透過性弾性部材からなる触覚部と、を備え、
前記発光素子と前記受光素子は、前記光透過性弾性部材の部分を介して離間対向しており、前記発光素子から出射された光は、前記発光素子と前記受光素子との間の光透過性弾性部材の部分を透過して前記受光素子で受光され、
前記触覚部に外力が加えられた時の前記光透過性弾性部材の部分の密度変化に伴う受光素子で受光される光量の変化を取得する、
柔軟触覚センサ。 - 前記発光素子の光軸と前記受光素子の受光面の法線は略一致している、請求項1に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記光透過性弾性部材内には、前記光透過性弾性部材の部分の周囲の一部に、前記光軸に平行して、光透過性弾性部材よりも硬質の材料から形成された変形阻害体が埋設されている、請求項2に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記変形阻害体は、前記基板上に固定されている、請求項3に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記基板上には、対向する発光素子と受光素子とからなる複数の発光素子・受光素子組が固定されている、請求項1〜4いずれか1項に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記複数の発光素子・受光素子組の一部あるいは全部は、変形阻害体を備えた発光素子・受光素子・変形阻害体組である、請求項5に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記基板上には、4組の発光素子・受光素子・変形阻害体組が配置されている、備えている請求項6に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記4組の発光素子・受光素子・変形阻害体組は、前記触覚部の下面の周辺に位置させて前記基板上に配置されている、請求項7に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記4組の発光素子・受光素子・変形阻害体組のうち、2組の発光素子・受光素子間の光軸は第1の方向に延びており、残りの2組の発光素子・受光素子間の光軸は第1の方向とは異なる第2の方向に延びている、請求項8に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記第2の方向は前記第1の方向に対して垂直である、請求項9に記載の柔軟触覚センサ。
- 光軸が第1の方向に延びる2組の発光素子・受光素子・変形阻害体組の各組の変形阻害体は、第1の方向に延びる光軸に対して互いに異なる側に配置されており、
光軸が第2の方向に延びる2組の発光素子・受光素子・変形阻害体組の各組の変形阻害体は、第2の方向に延びる光軸に対して互いに異なる側に配置されている、
請求項9、10いずれかに記載の柔軟触覚センサ。 - 前記基板上には、触覚部の下面の中央に位置して1組の発光素子・受光素子組が配置されている、請求項8〜10いずれか1項に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記基板上には、中央の1組の発光素子・受光素子組と、その周辺に周方向に間隔を存して配置した複数の発光素子・受光素子・変形阻害体組と、を備えており、前記複数の発光素子・受光素子・変形阻害体組における各変形阻害体は、時計回りあるいは反時計回りに各発光素子・受光素子間の光軸に対して同じ側に配置されている、請求項6に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記基板上には、少なくとも2つの発光素子・受光素子組が配置されており、2つの発光素子・受光素子組が1つの変形阻害体を共有しており、各組の光軸間に前記変形阻害体が位置している、請求項3、4いずれかに記載の柔軟触覚センサ。
- 前記基板上には、複数の発光素子及び複数の受光素子が互いに離間して設けてあり、
前記複数の発光素子及び前記複数の受光素子から選択された発光素子及び受光素子によって、n(n≧1)個の対向発光素子・受光素子組が形成され、
前記複数の発光素子及び前記複数の受光素子から選択された発光素子及び受光素子によって、m(m≧1)個の非対向発光素子・受光素子組が形成され、
n個の対向発光素子・受光素子組、m個の非対向発光素子・受光素子組の各発光素子を異なるタイミングで切り替え発光させる制御部を備えている、請求項1〜14いずれか1項に記載の柔軟触覚センサ。 - 前記非対向発光素子・受光素子組は、受光素子と、当該受光素子に最も近い発光素子と、のペアである、請求項15に記載の柔軟触覚センサ。
- 前記触覚部内には、前記基板に平行して硬質のプレートが埋設されている、請求項1〜16いずれか1項に記載の柔軟触覚センサ。
- 請求項1〜17いずれか1項に記載の触覚センサを1つまたは複数埋設してなる柔軟触覚センサシート。
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