JPH038913B2

JPH038913B2 -

Info

Publication number: JPH038913B2
Application number: JP28144686A
Authority: JP
Inventors: Motoyuki Akamatsu
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1986-11-26
Filing date: 1986-11-26
Publication date: 1991-02-07
Also published as: JPS63132641A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、ロボツトのアームや義肢表面などに
取り付けて、アームなどに対する侵害信号を検知
し、あるいは、四肢麻痺患者の麻痺肢に取り付
け、欠損している痛覚を代行させるための痛覚セ
ンサに関するものである。

［従来の技術］人間の感覚のうちで、視覚、聴覚、嗅覚は独立
した構造物としての感覚器官を持つているのに対
し、皮膚感覚は独立した感覚器官を持たず、受容
器は全身を被つている皮膚の中に埋め込まれてい
る。従つて、受容器の受け取ることのできる刺激
は皮膚によつて何等かの変換を受けたものであ
る。

対象物と皮膚とが触れた場合、各機械的受容器
には皮膚変形という機械的刺激が加えられるが、
これに対して受容器は独自の情報処理を行つてい
る。受容器における情報処理とは、皮膚変形のど
のような側面をとらえるのかということである。

機械的刺激により生ずる感覚は、いわゆる触圧
覚と痛覚であるが、痛覚は刺激する針の先端の尖
鋭度に強く影響を受けることなどから、皮膚変形
を刺激として受けるものではあるが、触圧覚とは
相違していることがわかる。

そこで、本発明者らは、機械的刺激による痛覚
が皮膚変形のどのフアクターに関係しているのか
を、人間による実験結果と皮膚のモデルによる解
析から検討を行つた。その結果、受容器が垂直方
向の圧縮ひずみの深さ方向の勾配に応答するとし
た場合に、実験結果を良く説明できるという知見
を得た。

これに対し、現在知られている各種の力学的な
センサは、圧力またはひずみを電気的信号等に変
換する物のみで、痛覚情報の検出には向いていな
い。そのため、痛覚の検出にはそれに適したセン
サの開発が必要である。

［発明が解決しようとする問題点］本発明の目的は、上述した痛覚に関する知見に
基づき、圧縮ひずみの深さ方向の勾配を検出する
ことによつて痛覚情報を得るようにした痛覚セン
サを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］上記目的を達成するため、本発明の痛覚センサ
は、圧縮ひずみを電気信号に変換する柔らかいト
ランスデユーサを上下二層に合わせ、上下のトラ
ンスデユーサを、それらによつて得られたひずみ
信号の差分信号を出力とする変換器に接続するこ
とにより構成される。

［作用］センサの表面に機械的に刺激が与えられると、
上下のトランスデユーサからそれぞれの圧縮ひず
みに応じたひずみ信号が出力され、変換器におい
て、痛覚に対応する信号として、それらの差分信
号が出力される。この差分信号は、圧縮ひずみの
深さ方向の勾配に相当するものである。上下のト
ランスデユーサは、柔軟材料によつて形成してい
るので、センサを柔軟体に取付けて使用すること
ができる。

［実施例］第１図は本発明に係る痛覚センサの実施例を示
している。

この痛覚センサ１は、圧縮ひずみを電気信号に
変換するトランスデユーサ２，３を上下二層に合
わせ、上下のトランスデユーサ２，３によつて得
られたひずみ信号の差分信号により、圧縮ひずみ
の深さ方向の勾配を近似的に求めるようにしたも
のである。

上記痛覚センサ１は、柔軟体に取り付けること
が多いために、柔軟なセンサであることが必要が
ある。そのため、圧縮ひずみを検出するトランス
デユーサに用いる柔軟材料として、感圧導電性ゴ
ムの薄板４を用いている。

この感圧導電性ゴムは、シリコンゴムに導電性
の粉末を混入し、加圧による変形によつて導電性
が変化するようにしたものである。この構造よ
り、感圧導電性ゴムの表裏に電極５，６として銅
箔を張り付け、電極間抵抗を測定すれば、圧縮ひ
ずみに相当する電気信号を検出することができ
る。

上記痛覚センサ１は、上部のトランスデユーサ
２の抵抗と下部のトランスデユーサ３の抵抗相互
間、またはそれらの逆数相互間の差をとるように
構成され、そのため、上下のトランスデユーサ
２，３はそれらによつて得られたひずみ信号の差
分信号を出力する変換器７に接続される。この変
換器７としては、具体的には、例えば二つのトラ
ンスデユーサ２，３の抵抗値を抵抗計で測定し、
その結果をそれぞれマイクロコンピユータに取り
込み、そのマイクロコンピユータ内で抵抗値の逆
数の差を求めるという構成を用いることができ
る。

このようにしてひずみ信号の差分をとると、
個々のトランスデユーサの変動が加算されて変動
が激しくなり、不安定で特性が分かりにくくな
る。この問題を解決するには、個々のトランスデ
ユーサの抵抗値を一次遅れ系に通してから差分を
取ればよい。

各トランスデユーサ２，３は、いずれも圧縮ひ
ずみが大きくなるにつれて、抵抗の逆数（コンダ
クタンス）は大きくなり、その関係は直線的では
ないが、それらの値に基づいて容易に痛覚を検知
することができる。

上記構成を有する痛覚センサによれば、その表
面に機械的刺激が与えられた場合、２つのトラン
スデユーサ２，３により圧縮ひずみの深さ方向の
勾配として、痛覚のセンシングを行うことができ
る。

第２図は上記痛感センサを柔軟体に取付けて使
用する状態を示している。

同図に示す痛覚センサ１の使用様態では、ベー
スとしての鉄板１０の上に、ウレタンゴムの層１
１を設け、その上に二層構造の痛覚センサ１を取
付けている。また、痛覚センサが表面に現われた
状態では、針のように尖鋭なものが押し付けられ
た場合に、センサが破損する危険があるので、最
表面には保護用のゴムの薄板１２を被覆してい
る。ウレタンゴムの層１１と痛覚センサ１、痛覚
センサ１における上下のトランスデユーサ２，３
の間、及び痛覚センサ１と保護用のゴムの薄板１
２との間は、いずれも接着されていない。なお、
図中には以下の実験例において用いた場合の寸法
を併記している。

また、図中、Ｐは後述するポンチを示す。

次に上記痛覚センサを用いた実験例を示す。

この実験例では、トランスデユーサ２，３とし
て、電極の大きさが２mm×２mm、感圧導電性ゴム
の薄板の厚さが0.5mm、電極の圧さが0.045mmのも
のを使用した。また、個々のトランスデユーサの
抵抗値を安定させるための一次遅れ系の時定数
は、約0.15secであり、計測時の変位速度は0.05
mm／secとした。

上記痛覚センサは、第２図に示すような状態で
柔軟体上に取り付けた。

実験は、特に先鋭なポンチに対する痛感センサ
の応答をみるために、第３図Ａ〜Ｃに示すような
３種類のポンチを用いて測定を行つた。図中、第
３図Ａ，Ｂに示すポンチＬ及びＳは鉄製の円柱棒
であり、同図Ｃに示すポンチＰは鉄製の先端が円
錐状になつている棒である。

これらのポンチを痛覚センサに押し込むと、圧
力やひずみの分布を生ずることから、ポンチの押
し込む位置はセンサの最も感度の良い所とした。
それは、ポンチＰの場合はセンサの中心とポンチ
Ｐの中心が一致したところであり、ポンチＳの場
合は、エツジがほぼセンサの中心になるところで
あり、ポンチＬの場合はポンチのエツジよりもセ
ンサが１〜２mm内側にくるところである。

それぞれのポンチを痛覚センサに押し込んだ結
果を第４図Ａ〜Ｃに示す。図中には上下のトラン
スデユーサの抵抗値の逆数及び両者の差分値が示
されており、横軸は押し込み量、縦軸の左側は差
分値のためのスケール、トランスデユーサの抵抗
値の逆数はスケールの値を2.5倍した値である。

それぞれの値は、ポンチの押し込みにつれて増
加しているが、この変化だけでは違いが分りにく
い。そこでセンサに閾値を設け、値がそれを超え
たならば反応がおきると仮定し、反応の閾値を求
めた。差分値に対する閾値を２×10^-4Ω^-1とした
時の、各ポンチにおける押し込み量で表した閾値
を図中に矢印で示す。これより、円柱状ポンチの
場合、直径が細い方が少ない押し込みで閾値に至
つている。

これに対する比較のために、上側のトランスデ
ユーサの抵抗値の逆数に関しても同様の閾値を設
け、その応答を見た。この場合、圧縮ひずみを変
換するトランスデユーサが受容器になつていると
想定できる。閾値としては、図に共通して示して
あるように、５×10^-4Ω^-1と設定した。この結果
を痛覚センサと比較すると、ポンチＬ，Ｓでは痛
覚センサとほぼ同様の値であるが、ポンチＰにつ
いては、痛覚センサよりもやや閾値が高くなつて
いる。

このように、ひずみセンサ単独のものに比べ、
差分型センサの方が、鋭いものに対する感度が良
くなつている。第４図を見ると分るように、円柱
状のポンチの場合には、上側のトランスデユーサ
の値も上昇につれて上側のトランスデユーサも値
が上昇している。これに対し、先鋭なポンチの場
合には、下側のトランスデユーサはほとんど値が
上昇してこない。このために、差分を取ること
で、先鋭なポンチに対する感度が高められている
ことが分る。

［発明の効果］以上に詳述したところから明らかなように、本
発明によれば、簡単な構造のトランスデユーサに
よつて、圧縮ひずみの深さ方向の勾配をセンシン
グすることにより、先端の尖つた部材による機械
的刺激に対して感度が高められ、痛覚に対応した
情報を得ることができる。

また、トランスデユーサを柔軟材料によつて形
成したので、センサを柔軟体に取付けて使用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る痛覚センサの実施例を示
す断面図、第２図は上記痛覚センサの使用態様を
示す断面図、第３図はＡ〜Ｃは実験に用いたポン
チの正面図、第４図Ａ〜Ｃは実験結果を示す線図
である。１……痛覚センサ、２，３……トランスデユー
サ、７……変換器。

Claims

【特許請求の範囲】

１圧縮ひずみを電気信号に変換する柔らかいト
ランスデユーサを上下二層に合わせ、上下のトラ
ンスデユーサを、それらによつて得られたひずみ
信号の差分信号を出力とする変換器に接続したこ
とを特徴とする痛覚センサ。