JP6658228B2 - 触覚センサおよびせん断力検出方法 - Google Patents

Description

本件は、触覚センサおよびせん断力検出方法に関する。

ロボットの制御には、人間や周囲の物体を傷つけない様に、多くのセンサが必要とされている。その中で、物体との接触面に加わる圧力およびせん断力を検出する触覚センサが、重要となっている。例えば、ピエゾ抵抗素子を用いてせん断力を検出する触覚センサが開示されている（例えば、非特許文献１参照）。

「ピエゾ抵抗型両持ち梁を用いた３軸触覚センサに関する研究」、立石科学技術振興財団、助成研究成果集（第２２号）、２０１３

しかしながら、上記技術では、回転軸方向のせん断力を検出することができない。

１つの側面では、本発明は、回転軸方向のせん断力を検出することができる触覚センサおよびせん断力検出方法を提供することを目的とする。

一つの態様では、触覚センサは、所定平面の所定領域の周辺において、当該所定領域の周方向の異なる位置に配置された１対の力検出素子と、前記１対の力検出素子の状態変化を電気信号として検出する検出回路と、を備え、前記１対の力検出素子の各々は、ピエゾ抵抗層とシリコーンの弾性体とが互いに接合された構造を有する第１の１対のピエゾ抵抗素子であり、前記検出回路は、前記所定領域において前記所定平面に対する垂直軸の回転方向にせん断力が印加される場合に、前記電気信号の強度を当該せん断力に応じて変化させるように構成されている。

回転軸方向のせん断力を検出することができる。

（ａ）は実施例１に係るロボットシステムの全体構成を例示する図であり、（ｂ）はせん断力を例示する図である。 （ａ）は触覚センサ素子の概略斜視図であり、（ｂ）は触覚センサ素子の概略平面図であり、（ｃ）は（ｂ）の拡大図である。 （ａ）〜（ｃ）は力検出素子の詳細について説明するための図である。 図２（ｃ）においてピエゾ抵抗素子を抜き出して描いた図である。 ピエゾ抵抗素子の検出結果を取得するためのホイートストンブリッジである。 検出回路を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は触覚センサ素子によるせん断力の検出について例示する図である。 （ａ）は実施例２に係る触覚センサ素子の概略斜視図であり、（ｂ）は触覚センサ素子の概略平面図であり、（ｃ）は（ｂ）の拡大図である。 ＬＣ回路を例示する図である。 図８（ｃ）においてキャパシタを抜き出して描いた図である。 実施例２に係る検出回路を例示する図である （ａ）および（ｂ）は触覚センサ素子によるせん断力の検出について例示する図である。 （ａ）は触覚センサ素子に対して外力が加わる場合のキャパシタの検出を例示する図であり、（ｂ）は触覚センサ素子に対して回転力が加わる場合のキャパシタの検出を例示する図であり、（ｃ）はキャパシタを例示する図であり、（ｄ）および（ｅ）は（ｃ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）および（ｂ）は変形例１について説明するための図である。 変形例２にかかるロボットシステムについて例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例１に係るロボットシステム１００の全体構成を例示する図である。図１（ａ）で例示するように、ロボットシステム１００は、ロボットハンド１０、触覚センサ素子２０、検出回路３０、制御部４０などを備える。触覚センサ素子２０および検出回路３０が触覚センサとして機能する。

ロボットハンド１０は、把持部１１によって対象物を把持し、離すことで、作業を行う。例えば、ロボットハンド１０は、３軸方向への移動、水平旋回、垂直旋回などを行う。なお、図１（ａ）において、一例として、鉛直上方から見たロボットハンド１０が描かれている。

触覚センサ素子２０は、把持部１１の対象物への接触面に配置されている。図１（ｂ）で例示するように、触覚センサ素子２０は、接触面２１における接触力（Ｚ軸方向の圧力）、Ｘ軸方向のせん断力、Ｙ軸方向のせん断力、および回転軸方向のせん断力を検出する。回転軸方向のせん断力とは、Ｚ軸を中心とする回転のせん断力である。ロボットハンド１０が対象物を把持する際に、当該対象物の重心から外れた箇所を把持する場合には、回転軸方向のせん断力が働くことになる。したがって、回転軸方向のせん断力の検出が重要となる。検出回路３０は、触覚センサ素子２０の状態変化を電気信号として検出する回路である。検出回路３０の検出結果は、制御部４０に送信される。制御部４０は、検出回路３０の検出結果に基づいて、ロボットハンド１０の動作を制御する。

図２（ａ）は、触覚センサ素子２０の概略斜視図である。図２（ａ）で例示するように、触覚センサ素子２０の接触面２１には、弾性体２２が設けられていてもよい。図２（ｂ）は、触覚センサ素子２０の概略平面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）では、弾性体２２を透過している。図２（ｃ）は、図２（ｂ）の拡大図である。

図２（ｃ）で例示するように、触覚センサ素子２０の接触面２１の中央部が対象物と接触する接触部２３である。接触面２１は、ＸＹ平面に相当する。接触面２１において、接触部２３を中心にして、複数種からなる１対の力検出素子が放射状に配置されている。

ここで、力検出素子の詳細について説明する。図３（ａ）で例示するように、力検出素子は、１対のピエゾ抵抗素子３０ａ，３０ｂを備える。ピエゾ抵抗素子３０ａ，３０ｂは、例えばＹ軸方向に長手方向を有する梁を備える。ピエゾ抵抗素子３０ａの梁には、例えばＸ軸マイナス側に弾性体３１が配置され、Ｘ軸プラス側にピエゾ抵抗層３２が配置されている。例えば、弾性体３１は、シリコーン樹脂などである。ピエゾ抵抗層３２は、例えば、Ｓｉ単結晶に不純物をイオン注入、熱拡散などでドープしたものである。当該弾性体３１とピエゾ抵抗層３２とは接合されている。ピエゾ抵抗素子３０ｂの梁には、Ｘ軸マイナス側にピエゾ抵抗層３２が配置され、Ｘ軸プラス側に弾性体３１が配置されている。当該ピエゾ抵抗層３２と弾性体３１とは接合されている。

力検出素子にＸ軸プラス方向の力が加わって梁に歪が生じる場合、図３（ｂ）で例示するように、ピエゾ抵抗素子３０ａおよびピエゾ抵抗素子３０ｂの梁は、湾曲してＸ軸プラス側に伸びるように撓む。この場合、ピエゾ抵抗素子３０ａにおいては、ピエゾ抵抗層３２が引っ張られる。一方、ピエゾ抵抗素子３０ｂにおいては、ピエゾ抵抗層３２が圧縮する。このように、１対のピエゾ抵抗素子３０ａ，３０ｂにおいて、ピエゾ抵抗層３２が、それぞれ引張力と圧縮力を受けることになる。すなわち、各ピエゾ抵抗層３２の抵抗値が正負逆方向に増減する。この抵抗値変化を、図３（ｃ）のようなブリッジ回路により計測することで、せん断力を検出することができる。

図４は、図２（ｃ）において、ピエゾ抵抗素子を抜き出して描いた図である。各ピエゾ抵抗素子は、接触面２１において、接触部２３の周辺に、周方向の異なる位置に配置されている。図４で例示するように、接触面２１において、Ｙ軸方向に沿って、接触部２３に対して点対称に、弾性体３１およびピエゾ抵抗層３２がなす梁が放射状に延びるように、Ｘ軸方向のせん断力を検出する１対のピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂが配置されている。ピエゾ抵抗素子３０ｘａはＹ軸プラス側に配置されており、ピエゾ抵抗素子３０ｘｂはＹ軸マイナス側に配置されている。

ピエゾ抵抗素子３０ｘａにおいては、Ｘ軸マイナス側に弾性体３１が配置され、Ｘ軸プラス側にピエゾ抵抗層３２が配置されている。ピエゾ抵抗素子３０ｘｂにおいては、Ｘ軸プラス側に弾性体３１が配置され、Ｘ軸マイナス側にピエゾ抵抗層３２が配置されている。すなわち、同一の周方向において、１対のピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂの弾性体３１とピエゾ抵抗層３２との配置側が同じとなっている。同一の周方向とは、右回りまたは左回りのいずれか一方に統一した場合の周方向のことを意味する。この１対のピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂにおいては、Ｘ軸方向のせん断力が加わった場合に各ピエゾ抵抗層３２がそれぞれ引張力と圧縮力を受けることから、Ｘ軸方向のせん断力を検出することができる。

接触面２１において、Ｘ軸方向に沿って、接触部２３に対して点対称に、弾性体３１およびピエゾ抵抗層３２がなす梁が放射状に延びるように、Ｙ軸方向のせん断力を検出する１対のピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂが配置されている。ピエゾ抵抗素子３０ｙａはＸ軸プラス側に配置されており、ピエゾ抵抗素子３０ｙｂはＸ軸マイナス側に配置されている。

ピエゾ抵抗素子３０ｙａにおいては、Ｙ軸プラス側に弾性体３１が配置され、Ｙ軸マイナス側にピエゾ抵抗層３２が配置されている。ピエゾ抵抗素子３０ｙｂにおいては、Ｙ軸マイナス側に弾性体３１が配置され、Ｙ軸プラス側にピエゾ抵抗層３２が配置されている。すなわち、同一の周方向において、１対のピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂの弾性体３１とピエゾ抵抗層３２との配置側が同じとなっている。この１対のピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂにおいては、Ｙ軸方向のせん断力が加わった場合に各ピエゾ抵抗層３２がそれぞれ引張力と圧縮力を受けることから、Ｙ軸方向のせん断力を検出することができる。

接触面２１において、いずれかの箇所において、接触部２３に対して点対称に、弾性体３１およびピエゾ抵抗層３２がなす梁が放射状に延びるように１対のピエゾ抵抗素子３０ｚａ，３０ｚｂが配置されている。ピエゾ抵抗素子３０ｚａにおいては、Ｚ軸プラス側に弾性体３１が配置され、Ｚ軸マイナス側にピエゾ抵抗層３２が配置されている。ピエゾ抵抗素子３０ｚｂにおいては、Ｚ軸マイナス側に弾性体３１が配置され、Ｚ軸プラス側にピエゾ抵抗層３２が配置されている。すなわち、Ｚ軸方向において、１対のピエゾ抵抗素子３０ｚａ，３０ｚｂの弾性体３１とピエゾ抵抗層３２との配置側が逆となっている。この１対のピエゾ抵抗素子３０ｚａ，３０ｚｂにおいては、Ｚ軸方向のせん断力が加わった場合に各ピエゾ抵抗層３２がそれぞれ引張力と圧縮力を受けることから、Ｚ軸方向のせん断力を検出することができる。

接触面２１において、いずれかの箇所において、接触部２３に対して点対称に、弾性体３１およびピエゾ抵抗層３２がなす梁が放射状に延びるように１対のピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂが配置されている。ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂのいずれにおいても、接触面２１をピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂを結ぶ線で分割した場合に同じ側に弾性体３１が配置され、逆側にピエゾ抵抗層３２が配置されている。すなわち、同一の周方向において、１対のピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂの弾性体３１とピエゾ抵抗層３２との配置側が逆となっている。本実施例においては、一例として、ピエゾ抵抗素子３０ｘａとピエゾ抵抗素子３０ｙｂとの間にピエゾ抵抗素子３０ｒａが配置され、ピエゾ抵抗素子３０ｘｂとピエゾ抵抗素子３０ｙａとの間にピエゾ抵抗素子３０ｒｂが配置されている。ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂによるせん断力検出については後述する。

なお、図２（ｃ）で例示するように、ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂ，３０ｙａ，３０ｙｂ，３０ｚａ，３０ｚｂ，３０ｒａ，３０ｒｂの接触部２３側端は、基準電圧Ｖｓに接続された基準電極２４に接続されている。各ピエゾ抵抗素子の他端は、それぞれ個別の電極２５に接続されている。

図５は、例えば、ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂの検出結果を取得するためのホイートストンブリッジである。当該ホイートストンブリッジは、検出回路３０の一部である。図５で例示するように、基準電圧Ｖｓは、ピエゾ抵抗素子３０ｘａとピエゾ抵抗素子３０ｘｂとの間に印加される。また、ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂは、２つの固定抵抗Ｒとともにホイートストンブリッジを構成する。ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂの抵抗変化によって変化する電圧値を検出することで、せん断力を検出することができる。ピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂ，３０ｚａ，３０ｚｂ，３０ｒａ，３０ｒｂについても、同様のホイートストンブリッジを構成することで、各せん断力を検出することができる。

図６は、検出回路３０を例示する図である。検出回路３０は、各せん断力を検出するためのブリッジ回路を備える。ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂと、ピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂと、ピエゾ抵抗素子３０ｚａ，３０ｚｂと、ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂとに対して、それぞれホイートストンブリッジが構成されている。可変抵抗Ｒｐ＿ｘ１がピエゾ抵抗素子３０ｘａに対応し、可変抵抗Ｒｐ＿ｘ２がピエゾ抵抗素子３０ｘｂに対応する。可変抵抗Ｒｐ＿ｙ１がピエゾ抵抗素子３０ｙａに対応し、可変抵抗Ｒｐ＿ｙ２がピエゾ抵抗素子３０ｙｂに対応する。可変抵抗Ｒｐ＿ｚ１がピエゾ抵抗素子３０ｚａに対応し、可変抵抗Ｒｐ＿ｚ２がピエゾ抵抗素子３０ｚｂに対応する。可変抵抗Ｒｐ＿ｒ１がピエゾ抵抗素子３０ｒａに対応し、可変抵抗Ｒｐ＿ｒ２がピエゾ抵抗素子３０ｒｂに対応する。

ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂが構成するホイートストンブリッジのアンプのＡｍｐ＿ｘの出力Ｖｘ＿ｏｕｔが、Ｘ軸方向のせん断力に相当する値である。ピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂが構成するホイートストンブリッジのアンプのＡｍｐ＿ｙの出力Ｖｙ＿ｏｕｔが、Ｙ軸方向のせん断力に相当する値である。ピエゾ抵抗素子３０ｚａ，３０ｚｂが構成するホイートストンブリッジのアンプのＡｍｐ＿ｚの出力Ｖｚ＿ｏｕｔが、Ｚ軸方向のせん断力に相当する値である。ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂが構成するホイートストンブリッジのアンプのＡｍｐ＿ｒの出力Ｖｒ＿ｏｕｔが、Ｚ軸回転方向のせん断力に相当する値である。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、触覚センサ素子２０によるせん断力の検出について例示する図である。図７（ａ）は、触覚センサ素子２０に対して、Ｘ軸マイナス側かつＹ軸マイナス側からＸ軸プラス側かつＹ軸プラス側に外力Ｆが加わる場合を例示する図である。すなわち、外力Ｆには、Ｘ軸プラス側への外力成分Ｆｘと、Ｙ軸プラス側への外力成分Ｆｙとが含まれる。

図７（ａ）で例示するように、外力Ｆが触覚センサ素子２０に加わる場合、ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂにおいては、外力成分Ｆｘによって、ピエゾ抵抗層３２がそれぞれ引張力と圧縮力を受ける。したがって、ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂは、Ｘ軸プラス側へのせん断力を検出する。また、ピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂにおいては、外力成分Ｆｙによって、ピエゾ抵抗層３２がそれぞれ引張力と圧縮力を受ける。したがって、ピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂは、Ｙ軸プラス側へのせん断力を検出する。

なお、ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂにおいては、両方のピエゾ抵抗層３２が引張力を受けることになる。したがって、ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂは、せん断力を検出しない。

図７（ｂ）は、Ｚ軸を中心として外力として回転力Ｒが加わる場合を例示する図である。一例として、接触面２１に対する平面視において、時計回りの回転力Ｒが加わる場合について検討する。

図７（ｂ）で例示するように、回転力Ｒが触覚センサ素子２０に加わる場合、ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂにおいては、回転力Ｒによって、両方のピエゾ抵抗層３２がそれぞれ引張力を受ける。したがって、ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂは、せん断力を検出しない。ピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂにおいても、回転力Ｒによって、両方のピエゾ抵抗層３２が引張力を受ける。したがって、ピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂもせん断力を検出しない。

これに対して、ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂにおいては、ピエゾ抵抗層３２がそれぞれ引張力および圧縮力を受けることになる。したがって、ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂは、Ｚ軸回転方向のせん断力を検出する。

本実施例によれば、ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂが、接触面２１の接触部２３の周辺において、接触部２３の周方向の異なる位置に配置されている。また、ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂの状態変化を電気信号として検出する検出回路３０が備わっている。検出回路３０は、接触部２３において接触面２１に対する垂直軸（Ｚ軸）の回転方向にせん断力が印加される場合に、上記電気信号の強度を当該せん断力に応じて変化させるように構成されている。それにより、回転軸方向のせん断力を検出することができる。また、ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂの抵抗値変化を検出するため、温度変化や他軸との干渉をキャンセルすることが出来、安定した出力値を得ることができる。ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂ，３０ｙａ，３０ｙｂ，３０ｚａ，３０ｚｂについても同様である。

なお、本実施例においては、ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂは接触部２３に対して点対称に配置されているが、それに限られない。ピエゾ抵抗素子３０ｒａ，３０ｒｂは、接触面２１の接触部２３の周辺において、接触部２３の周方向の異なる位置に配置されていればよい。また、ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂは接触部２３に対して点対称に配置されているが、それに限られない。ピエゾ抵抗素子３０ｘａ，３０ｘｂは、接触面２１の接触部２３を挟んでＸ軸と平行にならないように配置されていればよい。また、ピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂは接触部２３に対して点対称に配置されているがそれに限られない。ピエゾ抵抗素子３０ｙａ，３０ｙｂは、接触面２１の接触部２３を挟んでＹ軸と平行にならないように配置されていればよい。

実施例１においては、ピエゾ抵抗素子を用いてせん断力を検出したが、それに限られない。外力が加わることによって容量値が変化するキャパシタを用いることで、せん断力を検出してもよい。実施例２においては、力検出素子としてキャパシタを用いる例について説明する。

図８（ａ）は、実施例２に係る触覚センサ素子２０ａの概略斜視図である。図８（ａ）で例示するように、触覚センサ素子２０ａの接触面２１には、弾性体２２が設けられている。図８（ｂ）は、触覚センサ素子２０ａの概略平面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）では、弾性体２２を透過している。図８（ｃ）は、図８（ｂ）の拡大図である。

図８（ｃ）で例示するように、触覚センサ素子２０ａの接触面２１の中央部が対象物と接触する接触部２３である。接触面２１は、ＸＹ平面に相当する。接触面２１において、接触部２３を中心にして、複数種からなる１対の力検出素子が放射状に配置されている。

ここで、力検出素子の詳細について説明する。図９で例示するように、力検出素子は、１対のキャパシタ４０ａ，４０ｂを備える。キャパシタ４０ａ，４０ｂは、それぞれ、電極４１と電極４２とが離間して対向している。それにより、キャパシタ４０ａ，４０ｂは、電気容量を有している。電極４１と電極４２とが近づくと、電気容量が大きくなる。一方、電極４１と電極４２とが離れると、電気容量が小さくなる。せん断力によって電極４１と電極４２との距離が変化することで得られる電気容量を検出することで、当該せん断力の大きさを検出することができる。

例えば、図９で例示するＬＣ回路において、発振・周波数検出回路の出力を検出することで、キャパシタ４０ａ，４０ｂの合計の電気容量Ｃを検出することができる。

図１０は、図８（ｃ）において、キャパシタを抜き出して描いた図である。図１０で例示するように、接触面２１において、Ｙ軸方向に沿って、接触部２３に対して点対称に、放射状に延びるように１対のキャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂが配置されている。キャパシタ４０ｘａがＹ軸プラス側に配置され、キャパシタ４０ｘｂがＹ軸マイナス側に配置されている。

キャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂにおいては、Ｘ軸プラス側の電極４１が固定され、Ｘ軸マイナス側の電極４２がＹ軸方向に湾曲可能に配置されている。すなわち、同一の周方向に対して、キャパシタ４０ｘａ，ｘｂは、電極４１と電極４２との配置側が逆となっている。この１対のキャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂにおいては、Ｘ軸プラス方向のせん断力が加わった場合に電極４２が電極４１側に近づくことから、キャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂの電気容量が大きくなる。一方、Ｘ軸マイナス方向のせん断力が加わった場合に電極４２が電極４１から離れることから、キャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂの電気容量が小さくなる。すなわち、Ｘ軸方向のせん断力を検出することができる。

接触面２１において、Ｘ軸方向に沿って、接触部２３に対して点対称に、放射状に延びるように１対のキャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂが配置されている。キャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂにおいては、Ｙ軸プラス側の電極４１が固定され、Ｙ軸マイナス側の電極４２がＹ軸方向において湾曲可能に配置されている。すなわち、同一の周方向に対して、キャパシタ４０ｙａ，ｙｂは、電極４１と電極４２との配置側が逆となっている。この１対のキャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂにおいては、Ｙ軸プラス方向のせん断力が加わった場合に電極４２が電極４１側に近づくことから、キャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂの電気容量が大きくなる。一方、Ｙ軸マイナス方向のせん断力が加わった場合に電極４２が電極４１から離れることから、キャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂの電気容量が小さくなる。すなわち、Ｙ軸方向のせん断力を検出することができる。

接触面２１において、いずれかの箇所において、接触部２３に対して点対称に、放射状に延びるように１対のキャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂが配置されている。キャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂにおいては、電極４１，４２が固定され、電極４１と電極４２との間に配置された電極４３がＺ軸方向に湾曲可能に配置されている。すなわち、Ｚ軸に対して、キャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂは、第１電極と第２電極との配置側が同じとなっている。この１対のキャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂにおいては、Ｚ軸マイナス方向にせん断力が加わった場合に、電極４３がＺ軸マイナス方向に湾曲することで、電極４１と電極４３との対向面積および電極４２と電極４３との対向面積が減少する。それにより、キャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂの電気容量が小さくなる。すなわち、Ｚ軸方向のせん断力を検出することができる。

接触面２１において、いずれかの箇所において、接触部２３に対して点対称に、放射状に延びるように１対のキャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂが配置されている。キャパシタ４０ｒａにおいては、接触面２１をキャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂを結ぶ線で分割した場合に一方側に電極４１が固定され、他方側に電極４２が湾曲可能に配置されている。キャパシタ４０ｒｂにおいては、当該他方側に電極４１が固定され、他方側に電極４２が湾曲可能に配置されている。すなわち、同一の周方向に対して、キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂは、電極４１と電極４２との配置側が同じとなっている。本実施例においては、一例として、キャパシタ４０ｘａとキャパシタ４０ｙｂとの間にキャパシタ４０ｒａが配置され、キャパシタ４０ｘｂとキャパシタ４０ｙａとの間にキャパシタ４０ｒｂが配置されている。キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂのせん断力検出については後述する。

図１１は、本実施例に係る検出回路３０を例示する図である。図１１で例示するように、検出回路３０は、各せん断力を検出するためのＬＣ回路を備える。キャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂと、キャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂと、キャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂと、キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂとに対して、それぞれＬＣ回路が構成されている。可変容量Ｃｘ１がキャパシタ４０ｘａの電気容量に対応し、可変容量Ｃｘ２がキャパシタ４０ｘｂの電気容量に対応する。可変容量Ｃｙ１がキャパシタ４０ｙａの電気容量に対応し、可変容量Ｃｙ２がキャパシタ４０ｙｂの電気容量に対応する。可変容量抵抗Ｃｒ１がキャパシタ４０ｒａの電気容量に対応し、可変容量Ｃｒ２がキャパシタ４０ｒｂの電気容量に対応する。可変容量Ｃｚ１ａがキャパシタ４０ｚａの電極４１と電極４３との間の電気容量に対応する。可変容量Ｃｚ１ｂがキャパシタ４０ｚａの電極４２と電極４３との間の電気容量に対応する。可変容量Ｃｚ２ａがキャパシタ４０ｚｂの電極４１と電極４３との間の電気容量に対応する。可変容量Ｃｚ２ｂがキャパシタ４０ｚｂの電極４２と電極４３との間の電気容量に対応する。

キャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂのＬＣ回路の発振・周波数検出回路の出力Ｖｘ＿ｏｕｔが、Ｘ軸方向のせん断力に対応する値である。キャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂのＬＣ回路の発振・周波数検出回路の出力Ｖｙ＿ｏｕｔが、Ｙ軸方向のせん断力に対応する値である。キャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂのＬＣ回路の発振・周波数検出回路の出力Ｖｚ＿ｏｕｔが、Ｚ軸方向のせん断力に対応する値である。キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂのＬＣ回路の発振・周波数検出回路の出力Ｖｒ＿ｏｕｔが、Ｚ軸回転方向のせん断力に対応する値である。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、触覚センサ素子２０ａによるせん断力の検出について例示する図である。図１２（ａ）は、触覚センサ素子２０ａに対して、Ｘ軸マイナス側かつＹ軸マイナス側からＸ軸プラス側かつＹ軸プラス側に外力Ｆが加わる場合を例示する図である。すなわち、外力Ｆには、Ｘ軸プラス側への外力成分Ｆｘと、Ｙ軸プラス側への外力成分Ｆｙとが含まれる。

図１２（ａ）で例示するように、外力Ｆが触覚センサ素子２０ａに加わる場合、キャパシタ４０ｘａにおいては電極４２が電極４１側に湾曲することによって、電気容量Ｃｘ１が大きくなる（Ｃｘ１＋ΔＣｘ１）。キャパシタ４０ｘｂにおいても電極４２が電極４１側に湾曲することによって、電気容量Ｃｘ２が大きくなる（Ｃｘ２＋ΔＣｘ２）。ΔＣｘ１＋ΔＣｘ２は大きい値となるため、キャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂは、Ｘ軸プラス側へのせん断力を検出する。

キャパシタ４０ｙａにおいては電極４２が電極４１側に湾曲することによって、電気容量Ｃｙ１が大きくなる（Ｃｙ１＋ΔＣｙ１）。キャパシタ４０ｙｂにおいても電極４２が電極４１側に湾曲することによって、電気容量Ｃｙ２が大きくなる（Ｃｙ２＋ΔＣｙ２）。ΔＣｙ１＋ΔＣｙ２は大きい値となるため、キャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂは、Ｙ軸プラス側へのせん断力を検出する。

なお、キャパシタ４０ｒａにおいては、電極４２が電極４１側に湾曲することによって、電気容量Ｃｒ１が大きくなる（Ｃｒ１＋ΔＣｒ１）。一方、キャパシタ４０ｒｂにおいては、電極４２が電極４１と反対側に湾曲することによって、電気容量Ｃｒ２が小さくなる（Ｃｒ２−ΔＣｒ２）。ΔＣｒ１とΔＣｒ２とは略同一であるため、キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂは、せん断力を検出しない。

図１２（ｂ）は、Ｚ軸を中心として外力として回転力Ｒが加わる場合を例示する図である。一例として、接触面２１に対する平面視において、時計回りの回転力が加わる場合について検討する。

図１２（ｂ）で例示するように、回転力Ｒが触覚センサ素子２０ａに加わる場合、キャパシタ４０ｘａにおいては、回転力Ｒによって電極４２が電極４１側に湾曲する。それにより、電気容量Ｃｘ１が大きくなる（Ｃｘ１＋ΔＣｘ１）。キャパシタ４０ｘｂにおいては、回転力Ｒによって電極４２が電極４１と反対側に湾曲する。それにより、電気容量Ｃｘ２が小さくなる（Ｃｘ２−ΔＣｘ２）。ΔＣｘ１とΔＣｘ２とは略同一であるため、キャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂは、せん断力を検出しない。

キャパシタ４０ｙａにおいては、回転力Ｒによって電極４２が電極４１と反対側に湾曲する。それにより、電気容量Ｃｙ１が小さくなる（Ｃｙ１−ΔＣｙ１）。キャパシタ４０ｙｂにおいては、回転力Ｒによって電極４２が電極４１側に湾曲する。それにより、電気容量Ｃｙ２が大きくなる（Ｃｙ２＋ΔＣｙ２）。ΔＣｙ１とΔＣｙ２とは略同一であるため、キャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂは、せん断力を検出しない。

キャパシタ４０ｒａにおいては、回転力Ｒによって電極４２が電極４１側に湾曲する。それにより、電気容量Ｃｒ１が大きくなる（Ｃｒ１＋ΔＣｒ１）。キャパシタ４０ｒｂにおいては、回転力Ｒによって電極４２が電極４１側に湾曲する。それにより、電気容量Ｃｒ２も大きくなる（Ｃｒ２＋ΔＣｒ２）。ΔＣｒ１＋ΔＣｒ２は大きい値となるため、キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂはせん断力を検出する。

図１３（ａ）は、触覚センサ素子２０ａに対して外力Ｆが加わる場合のキャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂの検出を例示する図である。図１３（ａ）においては、外力Ｆは、Ｘ軸マイナス側かつＹ軸プラス側からＸ軸プラス側かつＹ軸マイナス側への力である。

図１３（ａ）で例示するように、外力Ｆが触覚センサ素子２０ａに加わる場合、キャパシタ４０ｚａにおいては、電極４３が電極４２側に湾曲することから、電極４１と電極４２との間の電気容量Ｃｚ１ａは小さくなり（Ｃｚ１ａ−ΔＣｚ１ａ）、電極４２と電極４３との間の電気容量Ｃｚ１ｂは大きくなる（Ｃｚ１ｂ＋ΔＣｚ１ｂ）。キャパシタ４０ｚｂにおいては、電極４３が電極４１側に湾曲することから、電極４１と電極４３との間の電気容量Ｃｚ２ａが大きくなり（Ｃｚ２ａ＋ΔＣｚ２ａ）、電極４２と電極４３との間の電気容量Ｃｚ２ｂは小さくなる（Ｃｚ２ｂ−ΔＣｚ２ｂ）。ΔＣｚ１ａとΔＣｚ１ｂとΔＣｚ１ａとΔＣｚ１ｂとは略同一であるため、キャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂはせん断力を検出しない。

図１３（ｂ）は、触覚センサ素子２０ａに対して回転力Ｒが加わる場合のキャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂの検出を例示する図である。図１３（ｂ）で例示するように、回転力Ｒが触覚センサ素子２０ａに加わる場合、キャパシタ４０ｚａにおいては、電極４３が電極４２側に湾曲することから、電極４１と電極４３との間の電気容量Ｃｚ１ａは小さくなり（Ｃｚ１ａ−ΔＣｚ１ａ）、電極４２と電極４３との間の電気容量Ｃｚ１ｂは大きくなる（Ｃｚ１ｂ＋ΔＣｚ１ｂ）。キャパシタ４０ｚｂにおいては、電極４３が電極４２側に湾曲することから、電極４１と電極４３との間の電気容量Ｃｚ２ａが小さくなり（Ｃｚ２ａ−ΔＣｚ２ａ）、電極４２と電極４３との間の電気容量Ｃｚ２ｂは大きくなる（Ｃｚ２ｂ＋ΔＣｚ２ｂ）。ΔＣｚ１ａとΔＣｚ１ｂとΔＣｚ１ａとΔＣｚ１ｂとは略同一であるため、キャパシタ４０ｚａ，４０ｚｂはせん断力を検出しない。

図１３（ｄ）および図１３（ｅ）は、図１３（ｃ）のキャパシタ４０ｚａのＡ−Ａ線断面図である。Ｚ軸方向に外力が加わらなければ、電極４３は湾曲しない。それにより、図１３（ｄ）で例示するように、キャパシタ４０ｚａの電気容量は変化しない。図１３（ｅ）で例示するように、Ｚ軸マイナス方向に外力が加わると、電極４３がＺ軸マイナス側に湾曲する。それにより、電極４１と電極４２との間の対向面積が減少するため電気容量Ｃｚ１ａが小さくなり（Ｃｚ１ａ−ΔＣｚ１ａ）、電極４３と電極４２との間の対向面積が減少するため電気容量Ｃｚ１ｂも小さくなる（Ｃｚ１ｂ−ΔＣｚ１ｂ）。キャパシタ４０ｚｂにおいても、同様に、電極４１と電極４３との間の電気容量および電極４２と電極４３との間の電気容量が減少する。したがって、Ｚ軸方向のせん断力を検出することができる。

本実施例によれば、キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂが、接触面２１の接触部２３の周辺において、接触部２３の周方向の異なる位置に配置されている。また、キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂの状態変化を電気信号として検出する検出回路３０が備わっている。検出回路３０は、接触部２３において接触面２１に対する垂直軸（Ｚ軸）の回転方向にせん断力が印加される場合に、上記電気信号の強度を当該せん断力に応じて変化させるように構成されている。それにより、回転軸方向のせん断力を検出することができる。また、キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂの電気容量変化を検出するため、温度変化や他軸との干渉をキャンセルすることが出来、安定した出力値を得ることができる。キャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂ，４０ｙａ，４０ｙｂ，４０ｚａ，４０ｚｂについても同様である。

なお、本実施例においては、キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂは接触部２３に対して点対称に配置されているが、それに限られない。キャパシタ４０ｒａ，４０ｒｂは、接触面２１の接触部２３の周辺において、接触部２３の周方向の異なる位置に配置されていればよい。また、キャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂは接触部２３に対して点対称に配置されているが、それに限られない。キャパシタ４０ｘａ，４０ｘｂは、接触面２１の接触部２３を挟んでＸ軸と平行にならないように配置されていればよい。また、キャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂは接触部２３に対して点対称に配置されているがそれに限られない。キャパシタ４０ｙａ，４０ｙｂは、接触面２１の接触部２３を挟んでＹ軸と平行にならないように配置されていればよい。

（変形例１）
図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、変形例１について説明するための図である。図１４（ａ）で例示するように、触覚センサ素子２０の接触面２１には弾性体２２が設けられているが、弾性体２２の形状はこれに限られない。例えば、図１４（ｂ）で例示するように、接触部２３に対応する箇所に、弾性体の凸部２２ａを設けてもよい。例えば、凸部２２ａは半球状の形状を有する。凸部２２ａを設けることによって、対象物と触覚センサ素子２０との接触時の回転中心が一致しやすくなる。それにより、各力検出素子の安定した出力値を得ることができる。

（変形例２）
図１５は、変形例２にかかるロボットシステムについて例示する図である。上記各例においては、制御部４０は、触覚センサ素子２０から各せん断力を検出している。これに対して、制御部４０の機能を有するサーバ２０２が、インターネットなどの電気通信回線２０１を通じて触覚センサ素子２０から各せん断力を取得してもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ ロボットハンド
２０ 触覚センサ素子
２１ 接触面
２２ 弾性体
２３ 接触部
３０ 検出回路
３０ｘａ，３０ｘｂ，３０ｙａ，３０ｙｂ，３０ｚａ，３０ｚｂ，３０ｒａ，３０ｒｂ ピエゾ抵抗素子
４０ 制御部
４０ｘａ，４０ｘｂ，４０ｙａ，４０ｙｂ，４０ｚａ，４０ｚｂ，４０ｒａ，４０ｒｂ キャパシタ
１００ ロボットシステム

Claims (15)

1. 所定平面の所定領域の周辺において、当該所定領域の周方向の異なる位置に配置された１対の力検出素子と、
   前記１対の力検出素子の状態変化を電気信号として検出する検出回路と、を備え、
   前記１対の力検出素子の各々は、ピエゾ抵抗層とシリコーンの弾性体とが互いに接合された構造を有する第１の１対のピエゾ抵抗素子であり、
   前記検出回路は、前記所定領域において前記所定平面に対する垂直軸の回転方向にせん断力が印加される場合に、前記電気信号の強度を当該せん断力に応じて変化させるように構成されていることを特徴とする触覚センサ。
2. 前記回転方向のせん断力が印加された場合に、前記第１の１対のピエゾ抵抗素子の一方のピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗層が引張力を受け、他方のピエゾ抵抗素子のピエゾ抵抗層が圧縮力を受けるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
3. 同一の前記周方向に対して、前記第１の１対のピエゾ抵抗素子の弾性体とピエゾ抵抗層との配置側が逆であることを特徴とする請求項２記載の触覚センサ。
4. 互いに接合された弾性体およびピエゾ抵抗層を備える第２の１対のピエゾ抵抗素子をさらに備え、
   前記第２の１対のピエゾ抵抗素子は、前記所定平面において前記所定領域を挟んで配置され、同一の前記周方向に対して、前記弾性体と前記ピエゾ抵抗層との配置側が同じとなるように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の触覚センサ。
5. 互いに接合された弾性体およびピエゾ抵抗層を備える第３の１対のピエゾ抵抗素子をさらに備え、
   前記第３の１対のピエゾ抵抗素子は、前記垂直軸の回転方向において前記弾性体と前記ピエゾ抵抗層との配置側が逆となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の触覚センサ。
6. 前記検出回路は、ブリッジ回路であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の触覚センサ。
7. 所定平面の所定領域の周辺において、当該所定領域の周方向の異なる位置に配置された第１の１対のキャパシタと、
   前記第１の１対のキャパシタの電気容量の変化を電気信号として検出する検出回路と、を備え、
   前記検出回路は、前記所定領域において前記所定平面に対する垂直軸の回転方向にせん断力が印加される場合に、前記電気信号の強度を当該せん断力に応じて変化させるように構成され、
   前記第１の１対のキャパシタは、前記回転方向のせん断力が印加された場合の電気容量の増減が同一方向となるように構成されていることを特徴とする触覚センサ。
8. 前記第１の１対のキャパシタは、両端が固定された第１電極と、前記第１電極と対向して一端が固定され他端が固定されていない第２電極と、を備え、
   同一の前記周方向に対して、前記第１の１対のキャパシタの前記第１電極および前記第２電極の配置側が同じであることを特徴とする請求項７記載の触覚センサ。
9. 両端が固定された第１電極と、前記第１電極と対向して一端が固定され他端が固定されていない第２電極とを備える第２の１対のキャパシタをさらに備え、
   前記第２の１対のキャパシタは、前記所定平面において前記所定領域を挟んで配置され、同一の前記周方向に対して、前記第１電極と前記第２電極との配置側が逆となるように配置されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の触覚センサ。
10. 両端が固定された第１電極と、前記第１電極と対向して一端が固定され他端が固定されていない第２電極とを備える第３の１対のキャパシタをさらに備え、
    前記第３の１対のキャパシタは、前記垂直軸に対して前記第１電極と前記第２電極との配置側が同じとなるように配置されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の触覚センサ。
11. 前記検出回路は、ＬＣ回路であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の触覚センサ。
12. 所定平面の所定領域の周辺において、当該所定領域の周方向の異なる位置に配置された１対のピエゾ抵抗素子を備え、
    前記１対のピエゾ抵抗素子は、互いに接合されたシリコーンの弾性体およびピエゾ抵抗層を備え、
    同一の前記周方向に対して、前記１対のピエゾ抵抗素子の弾性体とピエゾ抵抗層との配置側が逆であることを特徴とする触覚センサ。
13. 所定平面の所定領域の周辺において、当該所定領域の周方向の異なる位置に配置された１対のキャパシタを備え、
    前記１対のキャパシタは、両端が固定された第１電極と、前記第１電極と対向して一端が固定され他端が固定されていない第２電極と、を備え、
    同一の前記周方向に対して、前記１対のキャパシタの前記第１電極および前記第２電極の配置側が同じであることを特徴とする触覚センサ。
14. 前記所定平面上に弾性体を備え、
    前記弾性体は、前記所定領域上に凸部を備えることを特徴とする請求項１２または１３記載の触覚センサ。
15. 所定平面の所定領域の周辺において当該所定領域の周方向の異なる位置に１対のキャパシタが配置された触覚センサにおいて、前記所定領域において前記所定平面に対する垂直軸の回転方向にせん断力が印加される場合に、同一方向に増減する前記１対のキャパシタの電気容量の変化として検出される電気信号の強度を当該せん断力に応じて変化させ、
    変化させた後の前記電気信号の強度を検出する、ことを特徴とするせん断力検出方法。

Images