JP7185319B2

JP7185319B2 - 触覚センサ

Info

Publication number: JP7185319B2
Application number: JP2020083941A
Authority: JP
Inventors: 正典伍賀
Original assignee: FUKUYAMA UNIVERSITY
Current assignee: FUKUYAMA UNIVERSITY
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2022-12-07
Anticipated expiration: 2040-05-12
Also published as: JP2021179339A

Description

本発明は、接触する物体から受ける外力を検出するための触覚センサに関する。

触覚センサとしては、例えば特許文献１に記載された静電容量の変化と磁界の変化を検出する技術、特許文献２に記載された光量の変化を検出する技術などが従来技術として知られている。

特開２０１８－９７９２号公報特開２０１１－７５５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、磁場が存在する場所では正確な検出ができない。特許文献２に記載された光量の変化を検出する技術では、外力の方向によっては弾性体の変形量と光量の関係を比較的線形に近くできるが、弾性体表面にフレキシブル基板を装着するため、製造が難しく、耐久性が低くなりやすいので、様々な用途では使いにくいという課題がある。

本発明は、光学式であって、安価に製造でき、様々な用途で使いやすい触覚センサを提供することを目的とする。

本発明の触覚センサは、接触する物体から受ける外力を検出するための触覚センサである。本発明の触覚センサは、弾性体、反射板、反射部、複数の第１光学センサ、複数の第２光学センサを備える。弾性体は、物体と接触する接触部位と、接触部位に対向する対向面と、接触部位と対向面との間の側面を有し、光を透過する材質である。反射板は、弾性体の対向面に対向するように弾性体の内部に埋め込まれ、光を反射する。反射部は、側面に配置され、光を反射する。複数の第１光学センサは、対向面側に配置され、反射板までの距離を検出する。複数の第２光学センサは、側面の周囲に反射部と対向するように配置され、反射部までの距離を検出する。

本発明の触覚センサによれば、距離を検出する光学センサによって弾性体の変形量を検出するので、安価に製造でき、様々な用途で使いやすい。

実施例１の触覚センサの概要を示すための斜視図。反射板の例を示す斜視図。実施例１の触覚センサの構成を示すための平面図。図３のＡ－Ａ線での断面図。変形例１の触覚センサの構成を示すための平面図。触覚センサ１０１の試作品を用いて第２光学センサの出力を測定した結果を示す図。触覚センサ１０１の試作品を用いて第２光学センサの出力を測定した別の結果を示す図。触覚センサ１０１の試作品の接触部位１１１をＺ軸方向に移動させたときの第１光学センサの出力を測定した結果を示す図。触覚センサ１０１の試作品の接触部位１１１をＺ軸方向に移動させたときの第２光学センサの出力を測定した結果を示す図。変形例２の触覚センサの構成を示すための平面図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

図１は実施例１の触覚センサの概要を示すための斜視図、図２は反射板の例を示す斜視図、図３は実施例１の触覚センサの構成を示すための平面図、図４は図３のＡ－Ａ線での断面図である。触覚センサ１００は、接触する物体から受ける外力を検出するための触覚センサである。触覚センサ１００は、弾性体１１０、反射板１２０、反射部１３０－１～３、第１光学センサ１５０－１～３、第２光学センサ１６０－１～３を備える。また、弾性体１１０と第１光学センサ１５０－１～３を保持する第１基板１４０と、第２光学センサ１６０－１～３を保持する第２基板１７０も備えればよい。なお、弾性体１１０、第１光学センサ１５０－１～３、第２光学センサ１６０－１～３を保持する構造は、他の構造でも構わない。

弾性体１１０は、物体と接触する接触部位１１１と、接触部位に対向する対向面１１２と、接触部位と対向面との間の側面１１３を有し、光を透過する材質である。弾性体１１０には、ポリウレタンなどの光を透過する材料を用いればよい。この例では、弾性体１１０の形状は、円錐台であって、円錐台の一方の底面が接触部位１１１であり、円錐台の他方の底面が対向面１１２である。接触部位は、図４に点線で示したような接触部位１１４でもよいし、接触する物体に応じて適宜変更すればよい。つまり、弾性体１１０の形状は、ほぼ円錐台とすればよい。

反射板１２０は、弾性体１１０の対向面１１２に対向するように弾性体１１０の内部に埋め込まれ、光を反射する。図１～４に示した反射板１２０の形状は円錐であって、頂点が対向面１１２に最も近くなるように配置されている。反射板１２０には、例えば白色の樹脂製（ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂など）の板を使用すればよい。色は、後述する第１光センサで距離を検知可能であれば、適宜決めればよい。厚さは、外力によって変形しにくい程度にすればよい。例えば０．５ｍｍ程度にすればよいが、想定される外力に応じて適宜変更すればよい。

反射部１３０－１～３は、側面１１３に配置され、光を反射する。反射部１３０－１～３は、例えば、側面１１３を白色に着色することで形成すればよい。後述する第２光センサで距離を検知可能であれば、色、材質は適宜決めればよい。図１～４の例では側面１１３の３か所に反射部１３０－１～３を配置しているが、側面１１３全体を反射部１３１としてもよい。

第１光学センサ１５０－１～３は、対向面１１２側に配置され、反射板１２０までの距離を検出する。第２光学センサ１６０－１～３は、側面１１３の周囲に反射部１３０－１～３と対向するように配置され、反射部１３０－１～３までの距離を検出する。第１光学センサ１５０－１～３と第２光学センサ１６０－１～３は、例えば、赤外線を発光して反射光を測定し、０．０～１０．０ｍｍ程度の距離を検出し、距離に応じて線形な値を出力するセンサを用いればよい。図１～４に示した触覚センサ１００では、３個の第１光学センサ１５０－１～３と３個の第２光学センサ１６０－１～３を備えているが、３個に限定するものではない。検知したい方向に応じて２個にしてもよいし、４個以上でも構わない。また、第１光学センサの数と第２光学センサの数を同じにする必要もない。

図３のＸ方向に弾性体１１０が変形すると、第２光学センサ１６０－１と第２光学センサ１６０－２の出力が互いに逆方向に変化するとともに、反射板１２０が円錐形なので、第１光学センサ１５０－１と第１光学センサ１５０－２の出力も互いに逆方向に変化する。図３のＺ方向に弾性体１１０が変形すると、第１光学センサ１５０－１～３の出力が同じ方向に変化する。Ｘ軸回りに回転するように弾性体１１０が変形すると、第１光学センサ１５０－１の出力は、第１光学センサ１５０－２，３の出力とは逆方向に変化する。このように、合計６個の光学センサを配置すれば、Ｘ方向の移動、Ｙ方向移動、Ｚ方向移動、Ｘ軸回りの回転、Ｙ軸回りの回転を区別しながら弾性体１１０の変形を検知できる。触覚センサ１００は、安価に製造できる構造であり、様々な用途で使いやすく、せん断方向と回転方向の変位・力の検出が可能である。さらに、触覚センサ１００によれば、距離を検出する第１光学センサと第２光学センサによって弾性体の変形量を検出するので、出力を変形量と線形に近い関係にできる。
［変形例１］

図５は、変形例１の触覚センサの構成を示すための平面図である。触覚センサ１０１は、４個の第１光学センサ１５０－１～４と４個の第２光学センサ１６０－１～４を備え、側面１１３全体を反射部１３１とした例である。その他の構成は、触覚センサ１００と同じである。このように、第１光学センサと第２光学センサを４個ずつ備え、９０度ずつずらして配置すれば、Ｘ，Ｙ，Ｚ成分を検知しやすい。その他の効果は、触覚センサ１００と同じである。
＜実験例＞

図６，７に、触覚センサ１０１の試作品を用いて第２光学センサの出力を測定した結果を示す。試作した触覚センサ１０１は、弾性体１１０の接触部位１１１の直径が１８ｍｍ、対向面１１２の直径が２０ｍｍ、接触部位１１１と対向面１１２との間隔（高さ）が１０ｍｍである。図６は、Ｚ軸方向に１．０ｍｍ押し込んだうえでＸ軸方向に０．０ｍｍ→１．０ｍｍ→２．０ｍｍ→１．０ｍｍ→０．０ｍｍ→－１．０ｍｍ→－２．０ｍｍ→－１．０ｍｍ→０．０ｍｍのように接触部位１１１を移動させた結果を示している。図７は、Ｚ軸方向に１．０ｍｍ押し込んだうえでＹ軸方向に０．０ｍｍ→１．０ｍｍ→２．０ｍｍ→１．０ｍｍ→０．０ｍｍ→－１．０ｍｍ→－２．０ｍｍ→－１．０ｍｍ→０．０ｍｍのように接触部位１１１を移動させた結果を示している。横軸は時間（時：分：秒）を示しており、縦軸はセンサからの出力電圧に対応した値であり、センサを接続した測定装置から出力された生データの値である。この値の１００が０．５Ｖに相当する。どちらの結果を見ても、変位に対してほぼ線形な出力が得られていることが分かる。

図８に、触覚センサ１０１の試作品の接触部位１１１をＺ軸方向に移動させたときの第１光学センサの出力を測定した結果を示す。図９に、触覚センサ１０１の試作品の接触部位１１１をＺ軸方向に移動させたときの第２光学センサの出力を測定した結果を示す。試作した触覚センサ１０１は、上述の実験と同じである。第１光学センサは４つ備えられているが、図８には第１光学センサ１５０－１，１５０－２，１５０－３の測定結果を示している。第２光学センサは４つ備えられているが、図９には第２光学センサ１６０－１，１６０－２，１６０－３の測定結果を示している。どちらも、接触部位１１１をＺ軸方向に全く押し込んでいない状態（変位が０．０ｍｍ）から、接触部位１１１全体をＺ軸方向に、０．０ｍｍ→１．０ｍｍ→２．０ｍｍ→０．０ｍｍのように移動させた結果を示している。横軸は時間（時：分：秒）を示しており、縦軸はセンサからの出力電圧に対応した値であり、センサを接続した測定装置から出力された生データの値である。この値の１００が０．５Ｖに相当する。この実験では、弾性体１１０が押しつぶれるように変形するため、第１光学センサ１５０－１，１５０－２，１５０－３と反射板１２０との距離が短くなっていることが分かる。また、弾性体１１０の側面は膨らむので、第２光学センサ１６０－１，１６０－２，１６０－３と反射部１３１との距離も短くなっていることが分かる。Ｚ軸方向の変位の検出は弾性体１１０が押しつぶされることで生じるので、つぶれ方の不均衡などから変位に多少のばらつきがあるが、反射板１２０が全体的に押されていることが分かる。また、Ｘ軸を中心とした回転またはＹ軸を中心とした回転の場合には、弾性体１１０がつぶれる方向が決まるので、第１光学センサ１５０－１～４ごとの反射板１２０との距離の変化には明確な違いが現れると予測できる。
［変形例２］

図１０は、変形例２の触覚センサの構成を示すための平面図である。触覚センサ１０２では、弾性体１１０’が１２角形の底面を持つ錐台であり、反射板１２２は１２角錐である点が触覚センサ１０１と異なる。弾性体１１０’は、物体と接触する接触部位１１１’と、接触部位１１１’に対向する対向面１１２’（図示していない）と、接触部位１１１’と対向面１１２’との間の側面１１３’を有する。弾性体１１０’の材質は、弾性体１１０と同じにすればよい。触覚センサ１０２の反射部１３２は、側面１１３’全体に形成されている。弾性体１１０’も反射板１２２も１２角形だが、他の多角形でも構わない。また、接触部位１１１’は接触部位１１４のような形状でもよい。つまり、弾性体１１０’の形状は、ほぼ錐台であって、錐台の一方の底面が接触部位１１１’であり、錐台の他方の底面が対向面１１２’である。また、反射板１２２の形状は錐体であって、頂点が対向面に最も近くなるように配置されている。触覚センサ１０２も、触覚センサ１０１と同様の効果が得られる。

１００，１０１，１０２触覚センサ１１０，１１０’ 弾性体
１１１，１１１’，１１４接触部位１１２，１１２’ 対向面
１１３，１１３’ 側面１２０，１２２反射板
１３０，１３１，１３２反射部１４０第１基板
１５０第１光学センサ１６０第２光学センサ
１７０第２基板

Claims

接触する物体から受ける外力を検出するための触覚センサであって、
前記物体と接触する接触部位と、前記接触部位に対向する対向面と、前記接触部位と前記対向面との間の側面を有し、光を透過する弾性体と、
前記弾性体の対向面に対向するように前記弾性体の内部に埋め込まれた光を反射する反射板と、
前記側面に配置された光を反射する反射部と、
前記対向面側に配置され、前記反射板までの距離を検出する複数の第１光学センサと、
前記側面の周囲に前記反射部と対向するように配置され、前記反射部までの距離を検出する複数の第２光学センサと
を備える触覚センサ。
請求項１記載の触覚センサであって、
前記第１光学センサと前記第２光学センサは、それぞれ３つ以上ある
ことを特徴とする触覚センサ。
請求項１または２記載の触覚センサであって、
前記弾性体の形状は、ほぼ錐台であって、錐台の一方の底面が前記接触部位であり、錐台の他方の底面が前記対向面である
ことを特徴とする触覚センサ。
請求項３記載の触覚センサであって、
前記反射板の形状は錐体であって、頂点が前記対向面に最も近くなるように配置されている
ことを特徴とする触覚センサ。
請求項１または２記載の触覚センサであって、
前記弾性体の形状は、ほぼ円錐台であって、円錐台の一方の底面が前記接触部位であり、円錐台の他方の底面が前記対向面である
ことを特徴とする触覚センサ。
請求項５記載の触覚センサであって、
前記反射板の形状は円錐であって、頂点が前記対向面に最も近くなるように配置されている
ことを特徴とする触覚センサ。