KR101558644B1

KR101558644B1 - 슬립 검출 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101558644B1
Application number: KR1020117027721A
Authority: KR
Inventors: 마꼬또 시모조; 세이이찌 데시가와라
Original assignee: 고쿠리쓰다이가쿠호진 덴키쓰신다이가쿠
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2015-10-07
Also published as: JP5257896B2; CN102483364B; KR20120042740A; JP2010271242A; EP2434268A1; EP2434268A4; US8650971B2; WO2010134584A1; CN102483364A; US20120067142A1

Abstract

간이한 구성의 초기 슬립 검출 수단을 제안한다. 감압 도전 시트(3A)를 개재하여 접촉 부재(5)가 접촉 받이 부재(2)에 접촉하였을 때, 감압 도전 시트(3A)로부터 송출되는 검출 신호(S1)를 받아 감압 도전 시트(3A)의 저항값의 변화에 기초하여, 접촉 부재(5)의 슬립 변위 발생 직전에 발생한 고주파 파형 성분(VpX)이 소정의 임계값을 초과하였을 때 슬립 변위 발생 직전에 초기 슬립이 발생한 것을 확인하도록 한 것에 의해, 슬립 검출 부분의 구성이 한층더 소형ㆍ경량ㆍ박형의 슬립 검출 장치를 실현할 수 있다.

Description

슬립 검출 장치 및 방법 {SLIPPAGE DETECTION DEVICE AND METHOD}

본 발명은 슬립 검출(slippage detection) 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 슬립 검출 표면에 접촉하고 있는 정지 물체의 슬립 개시 동작을 확실하게 검출하고자 하는 것이다.

종래, 감압 도전 센서를 사용하여 슬립 검출 표면에 접촉하는 물체로부터 부여되는 압축 방향의 압력의 분포를 검출함으로써, 그 슬립 검출 표면에 접촉하는 물체의 움직임의 감촉을 판지(判知)하도록 한 촉각 센서가 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조).

또한, 감압 도전 센서로서는, 비도전성 엘라스토머나 합성 고무 중에, 도전성 입자를 분산시킨 변형 도전성 재료에 대한 압력 변화를, 전기 저항값의 변화로서 검출하는 것이 제안되어 있다(특허 문헌 2 참조).

일본 특개 2008-128940 공보 일본 특개 2000-299016 공보

그런데 슬립 검출 표면의 감촉으로서, 접촉하는 물체의 슬립 개시 시의 동작을 높은 정밀도로, 게다가 소형ㆍ경량ㆍ박형의 구성에 의해 검출할 수 있으면, 예를 들면 로봇의 손과 같이, 물체와의 접촉 면적이 작은 손가락이 물체에 접촉했을 때의 감각을 실현할 수 있음으로써, 적절한 파지력(지나치게 강하거나, 지나치게 약하지 않음)에 의해 물체를 파지할 수 있는 파지 수단을 실현할 수 있다고 생각된다.

본원 발명은 이상의 측면을 고려하여 이루어진 것으로, 슬립 개시의 상태를 소형ㆍ경량ㆍ박형의 구성에 의해 검출할 수 있도록 한 슬립 검출 장치 및 방법을 제안하고자 하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는, 접촉 부재(5)의 접촉을 받는 접촉 받이 부재(contacted member : 2) 상에 설치한 감압 도전 시트(3A)를 갖는 슬립 검출 부재(3)와, 감압 도전 시트(3A)를 통해 접촉 부재(contacting member : 5)가 접촉 받이 부재(2)에 압압되었을 때, 감압 도전 시트(3A)로부터 송출되는 검출 신호 S1을 받아 감압 도전 시트(3A)의 저항값의 변화에 기초하여, 접촉 부재(5)의 슬립 변위 발생 직전에 생긴 고주파 파형 성분 VpX를 포함하는 슬립 검출 신호 Vp를 형성하는 슬립 검출 신호 형성 회로(31)와, 슬립 변위 발생 직전에 생긴 고주파 파형 성분 VpX가 소정의 임계값을 초과했을 때 슬립 변위 발생 직전에 초기 슬립이 발생한 것을 나타내는 슬립 확인 신호 S2를 송출하는 슬립 검출 연산부(36)를 설치하도록 한다.

본 발명에 따르면, 감압 도전 시트를 개재하여 접촉 부재가 접촉 받이 부재에 접촉하였을 때, 감압 도전 시트로부터 송출되는 검출 신호를 받아 감압 도전 시트의 저항값의 변화에 기초하여, 접촉 부재의 슬립 변위 발생 직전에 생긴 고주파 파형 성분이 소정의 임계값을 초과하였을 때 슬립 변위 발생 직전에 초기 슬립이 발생한 것을 확인하도록 함으로써, 슬립 검출 부분의 구성이 한층더 소형ㆍ경량ㆍ박형의 슬립 검출 장치를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 슬립 검출 장치의 전체 구성을 도시하는 개략 선적 블록도.
도 2는 도 1의 접촉 검출부의 구성을 도시하는 개략 선도.
도 3은 도 2의 감압 도전 시트의 설명에 제공되는 개략 선도.
도 4는 도 2의 전극판 시트의 상세 구성을 도시하는 개략 선적 평면도.
도 5는 도 1의 슬립 검출 신호 형성 회로의 상세 구성을 도시하는 개략 선적 접속도.
도 6은 도 5의 슬립 검출 신호 형성 회로의 등가 회로를 도시하는 접속도.
도 7은 도 1의 슬립 검출 부재(3)의 동작의 설명에 제공되는 신호 파형도.
도 8은 도 1의 슬립 검출 연산부(36)의 동작의 설명에 제공되는 흐름도.
도 9는 도 8의 스텝 SP3에 있어서의 이산 웨이블릿 변환 처리의 설명에 제공되는 신호 파형도.
도 10은 도 1의 슬립 검출 부재(3)의 다른 실시 형태의 설명에 제공되는 개략 선도.
도 11은 접촉 부재(5)로서 스테인레스재를 사용한 경우의 웨이블릿 변환 처리의 설명에 제공되는 신호 파형도.
도 12는 접촉 부재(5)로서 천 부재를 사용한 경우의 웨이블릿 변환 처리의 설명에 제공되는 신호 파형도.
도 13은 접촉 부재(5)로서 종이 부재를 사용한 경우의 웨이블릿 변환 처리의 설명에 제공되는 신호 파형도.
도 14는 접촉 부재(5)로서 목재를 사용한 경우의 웨이블릿 변환 처리의 설명에 제공되는 신호 파형도.
도 15는 접촉 부재(5)로서 아크릴재를 사용하고, 또한 초기 하중 2〔N〕 및 슬립 속도 10〔㎜㎜／s〕으로 한 경우의 웨이블릿 변환 처리의 설명에 제공되는 신호 파형도.
도 16은 도 15에 대응시켜, 초기 하중 4〔N〕 및 슬립 속도 10〔㎜／s〕으로 한 경우의 웨이블릿 변환 처리의 설명에 제공되는 신호 파형도.
도 17은 도 15에 대응시켜, 초기 하중 3〔N〕 및 슬립 속도 1〔㎜／s〕으로 한 경우의 웨이블릿 변환 처리의 설명에 제공되는 신호 파형도.
도 18은 도 15에 대응시켜, 초기 하중 3〔N〕 및 슬립 속도 5〔㎜／s〕으로 한 경우의 웨이블릿 변환 처리의 설명에 제공되는 신호 파형도.

이하 도면에 대해, 본 발명의 일 실시 형태를 상세하게 서술한다.

(1) 제1 실시 형태

도 1에 있어서, 참조 부호 1은 전체로서 슬립 검출 장치를 나타내고, 접촉 받이 부재(2)(예를 들면 로봇 손의 검지 손가락)의 표면에, 시트 형상의 슬립 검출 부재(3)가 접착 고정되고, 이에 의해 접촉 검출부(7)가 형성되어 있다.

접촉 받이 부재(2)는 이에 대향하도록, 압박 동작 부재(4)(예를 들면 로봇 손의 엄지 손가락)에 의해 아크릴재로 이루어지는 접촉 부재(5)가 끼워 접착시키는 동작하여 왔을 때, 그 접촉 부재(5)의 대향하는 표면에 슬립 검출 부재(3)를 개재하여 끼워 넣어 보유 지지할 수 있도록 이루어져 있다.

슬립 검출 부재(3)는 도 2에 도시한 바와 같이, 감압 도전 시트(3A)의 한 면에 전극판 시트(3B)를 일체로 서로 포개어 고착된 구성을 갖고, 전극판 시트(3B)가 접촉 받이 부재(2) 상에 접착됨으로써, 슬립 검출 부재(3)가 접촉 받이 부재(2) 상에 설치된다.

이 상태에 있어서, 감압 도전 시트(3A)의 상표면에 접촉 부재(5)가 접촉하여 왔을 때, 접촉 부재(5)로부터 감압 도전 시트(3A)의 상표면에 대해, 감압 도전 시트(3A)를 두께 방향으로 압축하는 법선 방향력 Fn이 부여되는 동시에, 감압 도전 시트(3A)의 표면에 감압 도전 시트(3A)의 면 방향으로 접촉 부재(5)를 미끄러지게 하는 방향의 접선 방향력 Ft가 부여된다.

감압 도전 시트(3A)는 도 3에 도시한 바와 같이, 비도전성 엘라스토머나 합성 고무인 가요성층 본체(11) 중에, 도전성 입자(12)를 분산시켜 이루어지는 변형 도전성 재료에 의해 구성되어 있다.

이로 인해 감압 도전 시트(3A)는, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 접촉 부재(5)에 대해 법선 방향력 Fn이 부여되었을 때, 접촉 부재(5)와 전극판 시트(3B) 사이에 있어서 압축 동작함으로써 가요성층 본체(11) 내에 분산되어 있는 도전성 입자 중, 법선 방향으로 접촉하는 입자가 증대함으로써, 감압 도전 시트(3A)의 두께 내에 많은 도전 통로(13)가 생성됨으로써, 감압 도전 시트(3A)의 내부 저항을 감소시키는 상태로 된다.

이 상태에 있어서, 접촉 부재(5)에 대해 접선 방향력 Ft가 부여되어 미끄러지기 시작하면, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 가요성층 본체(11) 내에 있어서 서로 이격하는 도전성 입자(12)가 증가함으로써, 감압 도전 시트(3A)의 내부 저항이 높아진다.

이 실시 형태의 경우, 전극판 시트(3B)는 도 4에 도시한 바와 같이, 절연 기판(21)의 표면에 도전성 패턴층(22)을 부착시킨 구성을 갖는다.

도전성 패턴층(22)의 중앙 위치에는, 사각형 소용돌이 형상으로 형성된 2개의 전극 패턴(23A 및 23B)을 갖는 전극 패턴 영역(24)이 형성되고, 각 전극 패턴(23A 및 23B)이 전극 패턴 영역(24)의 외측에 설치된 2개의 단자 패턴(25A 및 25B)에 접속되어 있다.

전극 패턴 영역(24)에는, 감압 도전 시트(3A)가 그 하면에 전극 패턴(23A 및 23B)이 전기적으로 접속되도록 고착되어 있어, 이에 의해 감압 도전 시트(3A) 중, 전극 패턴(23A 및 23B)에 접속된 부분 간의 전기 저항의 값을, 단자 패턴(25A 및 25B) 간에 도출할 수 있도록 이루어져 있다.

이로 인해 단자 패턴(25A 및 25B) 간에는, 감압 도전 시트(3A)가, 접촉 부재(5)에 의해 변형되었을 때, 그 감압 도전 시트(3A) 내에 발생하는 저항 변화가, 단자 패턴(25A 및 25B) 간에 전기 저항의 변화로서, 슬립 검출 부재(3)로부터, 단자(25A 및 25B)에 접속된 검출 신호 도출선(26A 및 26B)을 통해 외부로, 검출 신호 S1로서 도출된다.

이 검출 신호 S1은, 슬립 검출 신호 형성 회로(31)(도 1)의 검출 신호 입력단자(32A 및 32B)로 공급된다.

이 실시 형태의 경우, 검출 신호 입력 단자(32A)는 구동 직류 전원(33)의 부극측에 접속되는 것에 대해, 검출 신호 입력 단자(32B)는 기준 저항(34)을 통해 구동 직류 전원(33)의 정극측 단자에 접속된다.

이로 인해 슬립 검출 부재(3)에 접속된 슬립 검출 신호 형성 회로(31)는, 도 6에 도시하는 등가 회로를 형성한다.

도 6의 등가 회로에 있어서, 슬립 검출 신호 형성 회로(31)의 구동 직류 전원(33)의 양단부에는, 기준 저항(34)과 슬립 검출 부재(3)에 의해 형성되는 가변 저항(3C)의 직렬 회로가 접속되고, 이로 인해 가변 저항(3C)의 양단부에서 얻어지는 분압 전압이 슬립 검출 신호 형성 회로(31)의 슬립 검출 신호 Vp로서 검출 신호 입력 단자(32A 및 32B)로부터 도출되는 슬립 검출 신호 출력 단자(35A 및 35B)에 출력된다.

이로 인해, 슬립 검출 부재(3)의 감압 도전 시트(3A)의 저항값이 접촉 부재(5)로부터 부여되는 법선 방향력 Fn 및 접선 방향력 Ft에 의해 가변됨으로써, 구동 직류 전원(33)의 분압 전압으로 이루어지는 슬립 검출 신호 Vp의 값이, 법선 방향력 Fn 및 접선 방향력 Ft의 변화를 나타내게 된다.

실험에 따르면, 접촉 부재(5)로부터 감압 도전 시트(3A)에 대해, 도 7의 (c)의 특성 곡선 K1로 나타낸 바와 같이, 시간 t의 경과에 따라서, 법선 방향으로 항상 법선 방향력 Fn을 부여하고 있는 상태에 있어서, 특성 곡선 K2로 나타낸 바와 같이, 접선 방향력 Ft를 시점 t0∼t1의 동안에 Ft＝0의 상태를 유지한 후, 시점 t1∼t2의 동안에 접선 방향력 Ft를 서서히 크게 되게 하였을 때, 도 7의 (b)의 곡선 K3 중 곡선 K32로 나타낸 바와 같이, 접촉 부재(5)가 시점 t＝t2로부터 t3의 동안에 있어서 슬립 변위를 일으켰다.

이때의 슬립 검출 부재(3)의 검출 신호 S1에 기초하여, 슬립 검출 신호 형성 회로(31)의 출력 단자(35A 및 35B) 간에서 얻어지는 슬립 검출 신호 Vp의 값은, 접촉 부재(5)가 t＝t2에 있어서 슬립 검출 부재(3)에 대해 미끄러지기 시작할 때에, 특이한 전기적 변화를 발생시키고, 그 슬립 검출 신호 Vp의 특이한 전기적 변화를 마이크로 컴퓨터 구성의 슬립 검출 연산부(36)가 연산 처리를 함으로써 확인한다.

이로 인해 슬립 검출 연산부(36)는, 슬립 확인 신호 S2를 얻었을 때, 이것을 연산 결과 출력부(37)에 부여하여, 유저에 대해, 슬립의 발생을 확인할 수 있었던 것을 알린다.

이상의 구성에서, 슬립 검출 연산부(36)는, 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같은 슬립 검출 부재(3)의 동작을 나타내는 슬립 검출 신호 Vp에 기초하여, 그 전기적 변화의 특이성을 신호의 연산 처리에 기초하여 확인한다.

도 7에 나타내는 슬립 검출 부재(3)의 동작의 특징은, 슬립 검출 부재(3)에 대한 접촉 부재(5)에 대한 슬립 동작의 실험 결과에 기초하여 검출을 할 수 있었던 것이다.

도 7의 (c)에 있어서, 특성 곡선 K1로 나타낸 바와 같이, 접촉 부재(5)에 의해 슬립 검출 부재(3)의 감압 도전 시트(3A)에 대해 상시 법선 방향력 Fn을 부여한 상태에 있어서, 시점 t＝t0∼t1 동안에 있어서 접선 방향력 Ft＝0의 상태로부터 시점 t＝t1∼t2까지의 동안에 접선 방향력 Ft를 서서히 크게 해간 바, 도 7의 (b)에 있어서 특성 곡선 K3으로 나타낸 바와 같이, 시점 t＝t2에 있어서 접촉 부재(5)에 슬립이 발생하고, t＝t3에 있어서 그 슬립 변위가 정지하였다.

이와 같은 접촉 부재(5)의 슬립 변위에 대해, 슬립 검출 부재(3)의 전극판 시트(3B)의 검출 신호 도출선(26A 및 26B)의 검출 신호 S1에 기초하여, 슬립 검출 신호 형성 회로(31)의 출력 단자(35A 및 35B) 간에서 얻어지는 슬립 검출 신호 Vp는, 도 7의 (a)의 특성 곡선 K4로 나타낸 바와 같이, 시점 t＝t2의 직전으로부터 직후에 이르기까지의 동안에 특이한 고주파 신호 파형 성분을 발생하였다.

즉, 시점 t＝t0으로부터 t1까지의 동안에 있어서 도 7의 (c)의 특성 곡선 K11 및 K21에 의해 나타낸 바와 같이 법선 방향력 Fn만을 부여하고 있는 상태이고 도 7의 (b)의 특성 곡선 K31로 나타낸 바와 같이 슬립 변위가 0일 때, 도 7의 (a)의 특성 곡선 K41로 나타낸 바와 같이 슬립 검출 신호 Vp는 법선 방향력 Fn에 기초하는 일정값을 유지하고 있다.

이윽고 시점 t1∼t2의 구간에 있어서 특성 곡선 K22로 나타낸 바와 같이, 접선 방향력 Ft를 서서히 크게 해가면, 특성 곡선 K31로 나타낸 바와 같이 슬립 변위는 0의 상태를 유지하고 있음에도 불구하고, 슬립 검출 신호 Vp의 값은 급격하게 상승하는 동시에, 슬립 개시 시점 t＝t2에 근접함에 따라서 격렬하게 상하 이동을 반복한 후, 슬립 시점 t＝t2에 있어서 피크 파형을 나타내는 변화를 한다.

이윽고 슬립 시점 t＝t2를 지나면, 특성 곡선 K32로 나타낸 바와 같이, 접촉 부재(5)가 대략 직선적으로 슬립 변위를 한 후, 특성 곡선 K33으로 나타낸 바와 같이, 시점 t＝t3에 있어서 그 슬립 변위를 정지한다.

이와 같은 슬립 변위가 변화되고 있는 기간 t＝t2∼t3까지의 동안에는, 특성 곡선 K43으로 나타낸 바와 같이, 슬립 검출 신호 Vp는 피크의 값으로부터 급격하게 저하되어가는 동시에, 그 저하되는 곡선 상에 중첩되어 있는 변동 성분은 극단적으로 작아지고, t＝t3에 있어서 슬립 변위가 정지한 후에는, 특성 곡선 K44로 나타낸 바와 같이, 상하 이동 성분은 거의 없어진다.

이 실험 결과에 기초하여, 슬립 검출 연산부(36)는, 슬립 검출 신호 Vp에 고주파 성분이 중첩되고, 게다가 그 상하 이동의 변화 폭이 소정의 임계값을 초과하였을 때, 접촉 부재(5)에 슬립 변위가 발생하기 직전의 상태에 있는 것을 판별한다.

이 실시 형태의 경우, 슬립 검출 연산부(36)는 슬립 검출 신호 Vp를 이산 웨이블릿 변환 처리를 함으로써, 슬립 변위가 발생하기 직전의 상태를 검출한다.

슬립 검출 연산부(36)는, 도 8에 나타내는 슬립 검출 처리 수순 RT1에 의해, 슬립 검출 신호 Vp로부터 슬립 확인 신호 S2를 형성한다.

슬립 검출 연산부(36)의 중앙 처리 유닛(CPU)은, 슬립 검출 처리 수순 RT1으로 들어가면, 스텝 SP1에 있어서 유저로부터 처리 개시 명령이 주어지는 것을 대기한 후, 스텝 SP2로부터 이산 웨이블릿 변환 처리를 실행한다.

슬립 검출 연산부(36)의 CPU는, 스텝 SP2에 있어서, 슬립 검출 신호 Vp를 50〔Hz〕에서 50개의 샘플을 계측한 후, 스텝 SP3로 이동하여 50개의 샘플에 대해 다음 수학식에 의해 이산 웨이블릿 변환을 실행한다.

단, 수학식 1의 Ψ_H(x)는 Haar의 웨이블릿이며,

의 관계를 갖는다.

상기 수학식 1 및 수학식 2에 있어서, x는 시간 t에 대응하고, 상기 스텝 SP3에 있어서의 이산 웨이블릿 변환은, 다음 식과 같이,

시간 t를

과 같이 높은 주파수의 범위에 특정함으로써, 슬립 검출 신호 Vp에 있어서 시간의 경과에 따라서 고주파 성분의 발생 및 그 크기를 이산 웨이블릿 변환 출력 D₁(x)로서 구한다.

이로 인해 슬립 검출 연산부(36)의 CPU는, 이산 웨이블릿 변환 출력 D₁(x)를 얻음으로써, 슬립 검출 신호 Vp로부터 고주파 성분을 추출한 결과를 얻을 수 있다.

도 9의 (b)는, 도 9의 (a)의 슬립 검출 신호 Vp를 이산 웨이블릿 변환 처리한 결과 얻어진 웨이블릿 계수를 나타낸 것이다.

도 9에 따르면, 접촉 부재(5)의 슬립 변위가 발생하는 시점 t＝t2의 직전에 웨이블릿 계수 D₁(x)가 최대값으로 되어 있어, 따라서 이때 슬립 검출 신호 Vp에는 큰 값의 고주파 성분이 많이 포함되어 있는 것을 알 수 있다.

슬립 검출 연산부(36)의 CPU는 이어지는 스텝 SP4에 있어서 웨이블릿 계수 D₁(x)의 최대값 및 최소값의 차(즉, 피크 대 피크의 값) Dpp를 계산한 후, 스텝 SP5에 있어서 그 피크 대 피크의 값 Dpp가 임계값 a보다 큰지 여부를 판단한다.

이 스텝 SP5에 있어서 긍정 결과가 얻어지면, 이것은 접촉 부재(5)가 슬립 변위가 발생하는 시점 t＝t2의 직전에 있어서, 접촉 부재(5)가 「미끄러지기 시작하기 직전의 상태」(이것을 초기 슬립이라고 함)로부터 「미끄러지기 시작한 상태」로의 이행 동작을 발생시키고 있어, 그 후 즉시 접촉 부재(5)의 슬립 변위가 개시하는 것을 예지할 수 있었던 것을 의미한다.

「초기 슬립」의 의의에 대해서는, 다음과 같이 생각한다.

통상 슬립이란, 강체가 면에 대해 강체 전체가 움직이고 있는 상태를 나타내지만, 초기 슬립이란, 아직 그 현상이 일어나고 있지 않은 상태이다.

실험에 따르면, 도 7에 대해 전술한 바와 같이, 강체에 접선 방향력 Ft를 가하고, 레이저 센서로 이동량을 측정한 바, 이동량 제로일 때[도 7의 (c)]에 있어서 센서 출력[도 7의 (a)]은 초기 슬립을 취하고 있다.

접촉한 물체 간의 슬립은, 접촉 영역면 내에 있어서, 그 주위로부터 서서히 접촉의 "떨어짐"이 발생하고, 이것이 접촉 영역 전체에 미친 경우에 있어서 발생한다.

이때, 「미끄러지기 시작하기 직전의 상태」로부터 「미끄러지기 시작한 상태」로의 이행 시에는, 접촉면 내에 있어서의 "떨어짐"과, 고착되어 있는 영역이 혼재되어 있는 상태가 있어, 본 명세서에서는, 이 미끄러지기 시작하기 직전의 상태를 「초기 슬립」이라 한다.

한편, 고착 영역이 없어지고, 완전하게 떨어진 상태를 「완전 슬립」, 「전체 슬립」이라 한다.

단순히 물체의 「슬립」이라 한 경우에는, 완전 슬립 또는 전체 슬립을 말한다.

이때 슬립 검출 연산부(36)의 CPU는 스텝 SP6으로 이동하여 슬립 확인 신호 S2를 연산 결과 출력부(37)로 송출한다.

이때 연산 결과 출력부(37)는, 예를 들면 LED를 점등시키는 등의 표시 동작을 함으로써, 슬립의 발생을 유저에게 알린 후, 전술한 스텝 SP2로 되돌아가 새로운 샘플 계측 처리를 계속한다.

이에 대해 스텝 SP5에 있어서 부정 결과가 얻어지면, 이것은 접촉 부재(5)에 초기 슬립이 발생하고 있지 않은 것을 의미하고, 이때 슬립 검출 연산부(36)의 CPU는 스텝 SP7에 있어서, 유저가 슬립 검출 처리 종료 명령을 입력하였는지 여부를 판단하고, 부정 결과가 얻어졌을 때 전술한 스텝 SP2로 되돌아가 새로운 샘플 계측 동작에 들어간다.

이에 대해, 스텝 SP7에 있어서 긍정 결과가 얻어지면, 슬립 검출 연산부(36)는 스텝 SP8로 이동하여 그 슬립 검출 처리 수순 RT0의 처리를 종료한다.

이상의 구성에서, 접촉 받이 부재(2)의 표면에 설치된 슬립 검출 부재(3)에 대해 접촉 부재(5)가 접촉함으로써, 감압 도전 시트(3A)에 발생하는 저항값 변화에 기초하여 슬립 검출 신호 형성 회로(31)로부터 슬립 검출 신호 Vp[도 9의 (a)]가 얻어지면, 슬립 검출 연산부(36)의 CPU는 슬립 검출 처리 수순 RT1(도 8)을 실행함으로써, 슬립 검출 신호 Vp에 포함되는 고주파 성분의 변화에 기초하여 초기 슬립의 발생을 검출하기 위해, 스텝 SP2-SP3-SP4-SP5-SP7-SP2의 루프에 의해 슬립 검출 처리를 실행한다.

이윽고 슬립 검출 연산부(36)가, 스텝 SP5에 있어서 웨이블릿 계수 D₁(x)의 피크 대 피크값 Dpp가 임계값 a를 초과하였다고 판단했을 때 CPU는 스텝 SP6에 있어서 슬립 확인 신호 S2를 연산 결과 출력부(37)에 출력한다.

이때 접촉 부재(5)는 슬립 검출 부재(3)에 대한 슬립 변위를 발생하기 직전의 초기 슬립 상태에 있어, 이로 인해 슬립 검출 장치(1)는 슬립 변위가 발생하기 직전에 초기 슬립 상태로 된 것을 미리 예지할 수 있다.

전술한 구성에 따르면, 접촉 받이 부재(2)에 접촉 부재(5)가 접촉하여 슬립이 발생하기 직전에 있어서, 슬립 검출 장치(1)가 이것을 초기 슬립의 발생으로서 미리 예지할(즉 슬립 예지 동작을 할) 수 있으므로, 유저가 그 슬립 예지에 기초하여, 예를 들면 접촉 부재(5)에 대한 파지력을 증가시킴으로써 슬립 변위의 발생을 미리 방지하거나 함으로써 그 접촉 부재(5)의 떨어짐을 방지하는 처리를 할 수 있다.

이로 인해, 전술한 실시 형태에 따르면, 슬립 검출 부재(3)로서, 도 2에 도시한 바와 같이, 전극판 시트(3B) 상에 감압 도전 시트(3A)를 설치한 간이하고, 또한 소형의, 박형의 구성에 의해 실현할 수 있다.

(2) 다른 실시 형태

(2-1) 전술한 실시 형태에서는, 슬립 검출 부재(3)로서, 도 2 및 도 4에 대해 전술한 바와 같이, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 감압 도전 시트(3A)의 한쪽 면에 2개의 전극 패턴(23A 및 23B)을 설치하도록 하였지만, 전극판 시트(3B)의 설치 방법은 이것에 한정되지 않고, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 감압 도전 시트(3A)의 양면에 각각 1매의 전극 패턴(3BX 및 3BY)을 설치하거나, 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이, 일면측에 2매의 전극 패턴(23A 및 23B)을 설치하는 동시에, 타면에 1매의 전극 패턴(3BZ)을 설치하도록 해도 된다.

이와 같이 전극판 시트(3B)로서는, 감압 도전 시트(3A)에 대해 법선 방향력 Fn 및 접선 방향력 Ft가 부여되었을 때, 이에 따라 변화되는 저항값을 감압 도전 시트(3A)로부터 도출할 수 있도록 하면 된다.

(2-2) 전술한 실시 형태에서는, 슬립 검출 신호 형성 회로(31)로부터 얻어지는 슬립 검출 신호 Vp에 슬립 변위 발생 직전에 발생하는 고주파 성분을 초기 슬립을 나타내는 신호를, 전술한 수학식 1 및 수학식 2에 의해 나타내는 이산 웨이블릿 변환을 이용하도록 하였지만, 다음 식에 의해 나타내는 연속 웨이블릿 변환을 이용하도록 해도 된다.

이 연속 웨이블릿 변환은, 슬립 검출 신호 Vp를 상세하게 주파수 해석하는 경우에 적용하기 적합하여, 언제, 어떤 주파수가, 어느 정도의 강도를 가지고 발생하고 있는지를 조사할 때에 이용한다.

단, 연속 웨이블릿 변화는 계산량이 많아, 전술한 실시 형태에 있어서 이용한 이산 웨이블릿 변환 쪽이, 고속 처리에 적합하다.

이와 관련하여, 전술한 실시 형태에 있어서 이용한 이산 웨이블릿 변환은, 슬립 검출 신호 Vp를 주파수 해석한다고 하는 것보다는, 슬립 검출 신호 Vp를 고주파 성분과 저주파 성분으로 분해한다고 하는 처리에 가깝다.

전술한 실시 형태에서는, 이산 웨이블릿 변환에 의해 슬립 검출 신호 Vp를 고주파 성분과 저주파 성분으로 분해하고, 그 고주파 성분을 이용하여 상기 슬립의 검출을 행한 것이다.

(2-3) 전술한 실시 형태에서는, 슬립 검출 신호 Vp로부터 고주파 성분을 추출할 때에 이산 웨이블릿 변환에 의한 신호 처리를 이용하도록 하였지만, 그 이산 웨이블릿 변환을 행하는 것은, 실질상 하이패스 필터를 통과시킨 것과 등가이다.

따라서, 이산 웨이블릿 변환 대신에, 예를 들면 FIR 필터나, IIR 필터 등에 의해 컷오프 주파수 1〔㎑〕이상의 하이패스 필터 혹은 이에 상당하는 밴드 패스 필터를 이용해도, 전술한 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

(2-4) 전술한 실시 형태에서는, 슬립 검출 부재(3)에 접촉하는 접촉 부재(5)로서 아크릴재를 이용한 경우에 대해 설명하였지만, 접촉 부재(5)의 재질로서는 아크릴재에 한정되지 않고, 도 11, 도 12, 도 13 또는 도 14에 나타낸 바와 같이, 스테인레스재, 천 부재, 종이 부재 또는 목재를 이용해도, 슬립 검출 신호 Vp에는 각각 슬립 변위 발생 기간에 있어서 고주파 성분 VpX가 발생하는 동시에, 슬립 개시 시점 t＝t2에 있어서 초기 슬립을 나타내는 고주파 성분 VpY가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

이에 수반하여, 도 11의 (b), 도 12의 (b), 도 13의 (b) 또는 도 14의 (b)에 나타낸 바와 같이, 도 9에 대해 전술한 바와 마찬가지로, 웨이블릿 계수 D₁(X)에 슬립에 수반되는 고주파 성분 D₁(X)X가 얻어지는 동시에, 초기 슬립에 대응하는 고주파 성분 D₁(X)Y가 발생한다.

따라서, 접촉 부재(5)의 재질을 변경한 경우에도, 도 9에 대해 전술한 바와 마찬가지로, 슬립 변위가 발생하기 직전에 초기 슬립이 발생하고 있는 것을 확실하게 검출할 수 있다.

(2-5) 도 9에 대해 전술한 바와 같이, 접촉 부재(5)가 아크릴재일 때에 초기 슬립의 검출을 할 수 있었다.

그 아크릴재를 이용한 경우에, 초기 하중과 슬립 속도를 변경한 경우에도, 도 15, 도 16, 도 17 또는 도 18에 나타낸 바와 같이, 초기 슬립의 검출을 할 수 있다.

이와 관련하여, 도 15의 (a), 도 16의 (a), 도 17의 (a) 또는 도 18의 (a)의 경우에는, 각각 초기 하중 2〔N〕 및 슬립 속도 10〔㎜／s〕, 초기 하중 4〔N〕 및 슬립 속도 10〔㎜／s〕, 초기 하중 3〔N〕 및 슬립 속도 1〔㎜／s〕 또는 초기 하중 3〔N〕 및 슬립 속도 5〔㎜／s〕의 경우도, 각각 슬립 검출 신호 Vp에 있어서 슬립 변위 발생 시의 고주파 성분 VpX와, 초기 슬립 발생 시의 고주파 성분 VpY가 발생하고[도 15의 (b), 도 16의 (b), 도 17의 (b) 또는 도 18의 (b)], 이에 수반하여 웨이블릿 계수 D₁(X)에, 슬립 변위 발생 시의 고주파 성분 D₁(X)X와, 초기 슬립에 수반되는 고주파 성분 D₁(X)Y가 발생하고 있으므로, 어떤 경우에도 도 9에 대해 전술한 바와 마찬가지로, 슬립 변위 발생 시점 t＝t2의 직전에 발생하는 초기 슬립을 확실하게 검출할 수 있다.

(2-6) 전술한 실시 형태에 따른 슬립 검출 장치 및 방법은, 다음과 같은 용도에 적용할 수 있다.

(2-6-1) 로봇 손에 의한 파지 동작

전술한 슬립 검출 장치는, 유연ㆍ박형ㆍ경량이라고 하는 특징을 갖는 점에서, 로봇 손의 손끝이라고 하는 작은 면에 배치하는 것이 가능하다. 필요하면, 손바닥 등의 넓은 범위에 센서를 배치하는 것도 가능하다. 전술한 슬립 검출 장치를 장착함으로써, 로봇에 손의 손가락이 물체에 접촉했다, 라고 하는 감각을 부여할 수 있다. 또한, 초기 슬립의 검출이 가능하므로, 손끝에서 물체가 미끄러질 것 같이 된 것을 검지하여, 파지력을 조절함으로써, 물체의 슬립을 방지하는 것이 가능하다. 또한, 물체의 중량이나 마찰 계수가 변화한 경우에도, 이 「슬립」이라고 하는 감각을 이용함으로써, 적절한 파지력(지나치게 강하지 않고, 지나치게 약하지 않는 힘)으로 파지를 실현할 수 있다.

(2-6-2) 의수에의 응용(촉각 피드백)

이미 설명한 바와 같이, 「슬립」이라고 하는 감각은, 「물체를 들다」라고 하는 동작을 행할 때, 혹은 도구를 취급하는 등, 능숙한 핸들링 동작을 실현하기 위해 없어서는 안 되는 감각이다. 지금까지, 접촉력을 검출 가능한 센서를 의수에 설치하여, 이를 피드백한다고 하는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, 부드러운 종이컵을 들 때 등, 물체를 잡고 있는지를 시각으로 확인할 필요가 있고, 어느 정도 익숙해질 때까지 노동력과 시간이 들게 된다. 즉, 파지 물체에 의해 중량이나 마찰 계수 등이 상이하므로, 자신이 어느 정도의 힘을 발휘하고 있는지를 알아도, 물체를 확실하게 잡고 있는지를 알 수 없다. 따라서, 「물체의 슬립」을 전술한 실시 형태에 따른 슬립 검출 장치에 의해 검출하여, 피드백하면, 물체를 미끄러 떨어뜨리지 않고, 쥐어 찌부러뜨리지 않고 힘을 가감하여 들 수 있다.

(2-6-3) 입력 장치, 인터페이스

전술한 슬립 검출 장치는, 접촉 및 초기 슬립을 검출할 수 있다. 따라서, 이것을 입력 장치로서 이용한 경우, 손가락으로 버튼을 누른다, 라고 하는 동작, 가로 방향으로 손가락이 슬라이드하였다, 라고 하는 동작을 검출할 수 있다. 또한, 전술한 슬립 검출 장치와 CoP를 검출 가능한 센서를 조합하면, 손가락이 어느 방향으로 슬라이드하였다, 라고 하는 것도 알 수 있으므로, 휴대 전화 등의 소형 기기에 있어서의 마우스 커서의 이동 등에도 이용 가능하다고 생각된다.

본 발명은, 로봇의 손과 같이, 접촉 받이 부재에 대해 접촉 부재가 접촉하는 경우에, 그 초기 슬립을 검출하기 위해 이용할 수 있다.

1 : 슬립 검출 장치
2 : 접촉 받이 부재
3 : 슬립 검출 부재
3A : 감압 도전 시트
3B : 전극판 시트
4 : 압박 동작 부재
5 : 접촉 부재
7 : 접촉 검출부
21 : 절연 기판
22 : 도전성 패턴층
23A, 23B : 전극 패턴
24 : 전극 패턴 영역
25A, 25B : 단자 패턴
26A, 26B : 검출 신호 도출선
31 : 슬립 검출 신호 형성 회로
32A, 32B : 검출 신호 입력 단자
33 : 구동 직류 전원
34 : 기준 저항
35A, 35B : 슬립 검출 신호 출력 단자
36 : 슬립 검출 연산부,
37 : 연산 결과 출력부

Claims

접촉 부재의 접촉을 받는 접촉 받침 부재 상에 설치한 감압 도전 시트를 갖는 슬립 검출 부재와,
상기 감압 도전 시트를 통해 상기 접촉 부재가 상기 접촉 받침 부재에 압박되었을 때, 상기 감압 도전 시트로부터 송출되는 검출 신호를 받아 상기 감압 도전 시트의 저항값의 변화에 기초하여 상기 접촉 부재의 슬립 변위 발생 직전에 발생한 고주파 파형 성분을 포함하는 슬립 검출 신호를 형성하는 슬립 검출 신호 형성 회로와,
상기 슬립 변위 발생 직전에 발생한 고주파 파형 성분이 소정의 임계값을 초과하였을 때 상기 슬립 변위 발생 직전에 초기 슬립이 발생한 것을 나타내는 슬립 확인 신호를 송출하는 슬립 검출 연산부
를 구비하고,
상기 접촉 부재의 슬립 변위는, 시간 t의 경과에 따라서, 시점 t=t0로부터 t=t1까지의 사이에 법선 방향력 Fn만이 부여됨으로써 슬립 변위가 발생하지 않는 상태를 유지하고,
계속해서 시점 t=t1으로부터 t=t2까지의 사이에 서서히 커지는 접선 방향력 Ft가 부여되지만 슬립 변위가 발생하지 않는 상태를 유지하고,
계속해서 시점 t=t2로부터 t=t3까지의 사이에 슬립 변위가 발생한 후 시점 t=t3 이후 슬립 변위가 일정값으로 되고,
상기 고주파 파형 성분은, 슬립 개시 시점 t=t2에 있어서 슬립 변위가 발생하기 직전에 있어서, 상기 검출 신호의 값이 급격하게 상승함과 함께, 슬립 개시 시점 t=t2에 근접하는 것에 따라서 격렬하게 상하 이동을 반복한 후, 슬립 개시 시점 t=t2에 있어서 피크 파형을 나타내는 것을 특징으로 하는, 슬립 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 슬립 검출 부재는, 상기 감압 도전 시트의 한쪽 면 또는 양면에 전극판 시트를 설치함으로써, 상기 전극판 시트로부터 상기 감압 도전 시트의 저항값의 변화를 나타내는 상기 검출 신호를 송출하는 것을 특징으로 하는, 슬립 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 슬립 검출 연산부는, 상기 슬립 검출 신호를 이산 웨이블릿 변환 처리하는 이산 웨이블릿 변환 수단을 갖는 것을 특징으로 하는, 슬립 검출 장치.
접촉 부재의 접촉을 받는 접촉 받침 부재 상에 설치한 슬립 검출 부재의 감압 도전 시트를 통해 상기 접촉 부재가 상기 접촉 받침 부재에 접촉하였을 때, 상기 감압 도전 시트로부터 송출되는 검출 신호를 받아 상기 감압 도전 시트의 저항값의 변화에 기초하여 상기 접촉 부재의 슬립 변위 발생 직전에 발생한 고주파 파형 성분을 포함하는 슬립 검출 신호를 슬립 검출 신호 형성 회로에 있어서 형성하고,
상기 슬립 변위 발생 직전에 발생한 고주파 파형 성분이 소정의 임계값을 초과하였을 때 상기 슬립 변위 발생 직전에 초기 슬립이 발생한 것을 나타내는 슬립 확인 신호를 슬립 검출 연산부로부터 송출하고,
상기 접촉 부재의 슬립 변위는, 시간 t의 경과에 따라서, 시점 t=t0로부터 t=t1까지의 사이에 법선 방향력 Fn만이 부여됨으로써 슬립 변위가 발생하지 않는 상태를 유지하고, 계속해서 시점 t=t1으로부터 t=t2까지의 사이에 서서히 커지는 접선 방향력 Ft가 부여되지만 슬립 변위가 발생하지 않는 상태를 유지하고,
계속해서 시점 t=t2로부터 t=t3까지의 사이에 슬립 변위가 발생한 후 시점 t=t3 이후 슬립 변위가 일정값으로 되고,
상기 고주파 파형 성분은, 슬립 개시 시점 t=t2에 있어서 슬립 변위가 발생하기 직전에 있어서, 상기 검출 신호의 값이 급격하게 상승함과 함께, 슬립 개시 시점 t=t2에 근접하는 것에 따라서 격렬하게 상하 이동을 반복한 후, 슬립 시점 t=t2에 있어서 피크 파형을 나타내는 것을 특징으로 하는, 슬립 검출 방법.