JPH063404B2 - 触・圧覚センサ - Google Patents

触・圧覚センサ

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JPH063404B2
JPH063404B2 JP22795083A JP22795083A JPH063404B2 JP H063404 B2 JPH063404 B2 JP H063404B2 JP 22795083 A JP22795083 A JP 22795083A JP 22795083 A JP22795083 A JP 22795083A JP H063404 B2 JPH063404 B2 JP H063404B2
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JP
Japan
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transparent plate
sheet
light
pressure sensor
touch
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JP22795083A
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JPS60120229A (ja
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和雄 谷江
真 金子
清 小森谷
昭雄 藤川
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/247Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet using distributed sensing elements, e.g. microcapsules

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、触・圧覚センサに関
し、特に分布型触・圧覚センサ関するものである。
近年、人間には危険または困難な作業を、人間に替わっ
て遂行し得る種々の機能を有するロボットが開発され、
これに伴って感覚センサも各種のものが開発されてい
る。
触・圧覚センサは、ロボットハンドの把持面を正確に位
置決めしたり、触覚的に把持物体の形状を認識したり、
あるいは触媒面の変化から把持物体のすべりを検出した
りするのに必要不可欠であり、従来から開発努力がなさ
れているが、従来の触・圧覚センサには、機械的スイッ
チを用いるものや、導電ゴム等の抵抗変化を利用するも
の等があるが、これらは、一般に高密度配置ができない
ために分解能が低かったり、あるいは、高密度配置が可
能な場合でも、触・圧覚センサとしての前記機能を発揮
するために充分な広さの検出面を確保できないという問
題があり、これら問題点の解決が望まれている。
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、分解能が高くロボットハンドへの装着を可能とする
コンパクトな構成であり、しかも機能発揮のために充分
な広さの検出面を確保できる、高密度分布型触・圧覚セ
ンサを提供することを目的としている。
この目的に対応して、この発明の触・圧覚センサは、透
明板の一方の面に沿って可撓性を有する材料からなるシ
ートを配設し、前記透明板の他方の面と間隙をおいて光
電変換素子群を一様かつ高密度に配設し、かつ前記透明
板に側面から光を入射させ得る光照射装置を備え、前記
シートは外力によって前記透明板の前記一方の面に押し
つけられたときに変形可能に構成されている多数の凹凸
を前記透明板の前記一方の面に対向する表面に一様な分
布で形成されておりかつ前記表面は光反射性を有するも
のであることを特徴としている。
以下、この発明の詳細を、一実施例を示す図面について
説明する。
第1図、第2図及び第3図において、1は触・圧覚セン
サである。触・圧覚センサ1はガラスやアクリル等でな
る直方体の透明板2を備えている。透明板2の一方の面
3には、例えば白色のシリコンゴムのような、可撓性を
有する材料からなり、かつ光をよく反射し得るシート4
が接しており、シート4の面3と接する側の面には、一
様に細かいピッチで分布する凹凸からなる凹凸面5が形
成されており、その凸部5aの先端点において透明板2
の面3と接している。凹凸の形状としては例えば円錐形
等を用いることができる。
透明板2の面3と平行な面6に対向する位置には、面6
と接触しない距離をおいて、一様かつ高密度にフォトト
ランジスタ等の光電変換素子7の群が配設されており、
これら光電変換素子群はハウジング9に収納されてい
る。
透明板2の1つの側端面8には多数のオプティカルガイ
ド11の末端が1列に密に配列され、各オプティカルガ
イド11は光源(図示せず)につながっており、透明板
の中に光を照射し得る。
透明板2の側端面8に対向するもう一端の側端面12を
覆って、平面鏡13が取り付けられており、透明板2の
側端面8上の各オプティカルガイド11の末端から照射
された光をまた側端面8に向かって反射させ得る。
光電変換素子7は、例えば3mmのピッチで縦横に並んで
いる。一方、透明板2の面6の大きさは例えば50mm×
100mmであり、従って、光電変換素子7は例えば全部
で16×30個が16行30列に配列されている。
各列16個ずつの光電変換素子7は1列分ずつ、16チ
ャンネルのマルチプレクサ14(第4図)につながれ、
30列に対応する30個のマルチプレクサがそれぞれ1
つずつの異なるAD変換器15につなげられ、列毎に各
光電変換素子7からの電気出力をデジタルデータに変換
し、30個のAD変換器15はすべてコンピュータ16
につながっていて、各列毎のデジタルデータをコンピュ
ータ16に送り、コンピュータ16は各マルチプレクサ
14につながっており、各マルチプレクサ14に電気信
号を送って各列毎にデータを処理するように構成されて
いる。
またデータの読出しは第5図のようにすれば、結線を少
なくすることができる。この回路はフォトトランジスタ
をマトリクス状に結線し、それぞれへの供給電圧をアナ
ログスイッチで切換えることにより、各列単位でフォト
トランジスタを駆動し、さらに、その出力をアナログス
イッチで選択することにより、シリアルに列中の個々の
フォトトランジスタの出力を読出すものである。例えば
図中のアナログスイッチaをONにし、他をOFFの状
態にすると、(1,1),(2,2)…(n,1)の列
のフォトトランジスタにのみ電源が供給され、それらの
出力電流が負荷抵抗Rに流れる。一方、行セレクト信
号により、例えばアナログスイッチbをONにすると、
フォトトランジスタ(1,1)の出力が演算増幅器Cに
送られ、さらにAD変換器へと転送される。行セレクト
信号を遂次切換えていけば、同様にして、1列目の各フ
ォトトランジスタの出力を読み出すことができる。1列
すべて読出しが終了した後、列セレクト信号を切換え
て、2列目のアナログスイッチa+1をONにし、以下
1列目の手順をくり返せば、各フォトトランジスタ出力
を読みだすことができる。
このように構成された触・圧覚センサ1において、オプ
ティカルガイド11から透明板2の中に光が照射されて
いる時に、第3図に示す如くシート4の外面からシート
4に垂直な力Fがかかると、シート4が弾性変形を起こ
し、シート4の凹凸面5が押し潰されて変形するが、弱
く押されている箇所では凸部5aの先端近傍だけが透明
板2の面3に接し、強く押されている箇所では、その力
の強さに応じて凹部の一部あるいは全部が面3に接した
状態となる。
一方、光学上、透明板の中をある臨界角以下の入射角
で、透明板の表面に向かって進行する光は、透明板の表
面が空気に接している場合には殆ど全反射してまた透明
板の中に戻るが、透明板の表面がこの実施例におけるシ
ートのような物質に接している場合には、透明板の表面
を透過し、またその物質にその光が反射された場合は、
その反射光は再び透明板の表面を透過して透明板の中に
戻るという性質を有する。
さて、力Fによってシート4が押付けられている箇所以
外では透明板2の面3は、シート4の凹凸面の凹部に入
っている空気に接しており、オプティカルガイド11か
ら透明板2の中に照射された光は、おおむね前記臨界角
以下の入射角で透明板2の面3に向かって進行するの
で、面3において殆ど全反射してまた透明板の中に戻
り、透明板2の他方の面6に向かうが、面6は空気と接
しているので面6においても光は殆ど全反射して透明板
2の外に出ることなく進み側面12に取付けられた平面
鏡13で反射されて、また透明板2の中に戻される。
シート4が押付けられている箇所では、透明板2の面3
に達した光は面3を透過して白いシリコンゴム等のシー
トの表面で反射して再び、面3を透過し、透明板2の中
に入る。
この時のシートの表面における反射はシートの材質上、
乱反射となるので、反射角は入射角と必ずしも一致せ
ず、面3と垂直に近いものも出て、これら面3と垂直に
近い光は面3を透過し、垂直に近い入射角で面6に達す
るので、前記臨界角以上となり面6をも透過して、面6
に対向して一様かつ高密度に配設された光電変換素子7
の中の力Fで押された箇所に対向する位置にあるものに
達する。乱反射した光のうち面3となす角の小さいもの
は面6で反射し他の光と共に透明板の中に進む。
シート4を押す力Fによって強く押されている部分ほど
シート材が面3と接する面積が大きくなり、従ってその
位置に対応する位置にある光電変換素子7に達する光量
も多く、光電変換素子7による電気出力も大きくなる。
これらの光電変換素子7からの電気出力は列毎にマルチ
プレクサ14に入り、AD変換器15で電気出力の大き
さに応じた大きさのデジタルデータに変換され、コンピ
ュータ16によって処理され、力Fによるシート4への
圧力分布が検出される。即ち、シート4への圧力の位置
と大きさとの分布を検出することが出来、どんな形状の
ものがどの位の強さでシートを押しているかを識別する
ことができる。
このときの圧力分布を、コンピュータ16からモニタテ
レビ(図示せず)に映像として送ることもできる。
このように構成された触・圧覚センサ1をロボットハン
ドの手先に装着するときは、例えば第6図に示すよう
に、ロボットハンド17の把持面にシート4を対応さ
せ、オプティカルガイド11をロボットハンドの手首側
に対応させるようにして、ロボットハンド17に埋め込
む。
他の実施例として、シート4を押す力の位置の分布だけ
を検出して、シート4に触れている物体の位置や形だけ
を知りたい場合には、AD変換器15の代りに、コンパ
レータとすることができる。この場合、光電変換素子7
から発せられた電気出力は、マルチプレクサ14を介し
てコンパレータ(図示せず)に入り、ある出力レベル以
上と以下とに2値化されてコンピュータ16に入り、前
記あるレベル以上の圧力の位置の分布が検出される。
[実施例] シート4の凹凸の形状が頂角118°の円錐形でピッチ
が5mmである触・圧覚センサに金属製のリングを押付け
たところ、モニタテレビ上に第7図に示す明瞭なコント
ラストのついた、圧力分布のパターンを得た。
以上の説明から明らかな通り、この発明によれば分解能
が高く、ロボットハンドへの装着を可能とするコンパク
トな構成で、かつ機能発揮のために充分な広さの検出面
を確保できる高密度分型触・圧覚センサを得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例に係わる触・圧覚センサの
構成を示す斜視説明図、第2図はロボットハンドに装着
された触・圧覚センサの縦断面説明図、第3図は第2図
の触・圧覚センサに圧力が加わった状態を示す説明図、
第4図はデータ読み出し機構の構成説明図、第5図は結
線を少なくできるデータ読出し回路図例、第6図は触・
圧覚センサを装着したロボットハンドを示す斜視説明
図、及び第7は実験例でモニタテレビ上に得られた圧力
分布パターンである。 1…触・圧覚センサ 2…透明板 4…シート
5…凹凸面 5a…凸部 7…光電変換素子 1
1…オプティカルガイド 13…平面鏡 14…マ
ルチプレクサ 15…AD変換器 16…コンピュ
ータ 17…ロボットハンド
フロントページの続き (72)発明者 小森谷 清 茨城県新治郡桜村並木1丁目2番地 工業 技術院機械技術研究所内 (72)発明者 藤川 昭雄 茨城県新治郡桜村並木1丁目2番地 工業 技術院機械技術研究所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】透明板の一方の面に沿って可撓性を有する
    材料からなるシートを配設し、前記透明板の他方の面と
    間隙をおいて光電変換素子群を一様かつ高密度に配設
    し、かつ前記透明板に側面から光を入射させ得る光照射
    装置を備え、前記シートは外力によって前記透明板の前
    記一方の面に押しつけられたときに変形可能に構成され
    ている多数の凹凸を前記透明板の前記一方の面に対向す
    る表面に一様な分布で形成されておりかつ前記表面は光
    反射性を有するものであることを特徴とする触・圧覚セ
    ンサ
JP22795083A 1983-12-02 1983-12-02 触・圧覚センサ Expired - Lifetime JPH063404B2 (ja)

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JPS60120229A JPS60120229A (ja) 1985-06-27
JPH063404B2 true JPH063404B2 (ja) 1994-01-12

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006102152A (ja) * 2004-10-05 2006-04-20 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 触覚センサ及び触覚センサ装置

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