JPH0658829A - 光学式触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 光ファイバを格子状に配置してその交点を触
覚センサ部となし、各光ファイバの一方端から光を入射
し他端において光量を検出し、各光ファバの光量の減衰
量から各触覚センサ部に加わる力を演算・検出する光学
式触覚センサにおいて、前記触覚センサ部の触覚圧に対
する光減衰率を各触覚センサ部の各ファイバで可変にす
ることにより各触覚センサ部に加わる力を演算・検出す
るようにしたもの。 【効果】 各触覚センサ部の光ファイバの力に対する光
の減衰率を変化させているので、従来の触覚センサにお
いては区別不可能であった同じ総和でも力分布が異なる
状態を区別することができ、力分布を忠実に検出できる
光学式触覚センサを形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、触覚センサに係わり、
特に産業用ロボットのハンドなどに適用して物体を掴ん
だときその物体の接触位置及び接触圧を同時に測定する
分布形の光学式触覚センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、触覚センサとして光ファイバを格
子状に配置し、光ファイバの片端から光を入射し、光フ
ァイバの交点を触覚センサ部となしそこに加わる力によ
る光ファイバの変形による光の減衰量を各光ファイバ毎
に設けた光検出器でモニタし、各減衰量から、対象物体
が接触する位置及びその接触圧を測定する方式が提案さ
れている（例えば、特願 平３−３４４０２７４）。図
５は、このような従来の触覚センサの構成を示したもの
である。１ａ・１ｂはＬＥＤ・レーザ・放電管などの光
源である。２は光ファイバであり、上層と下層の格子状
に配置される。その交点が触覚センサ部５となる。３ａ
・３ｂは光センサで、光の強度を検出する。４は演算処
理装置である。各光源１ａ・１ｂからの光は、各光ファ
イバ２の片端から入射される。この各光ファイバに入射
した光は触覚センサ部５を透過し、各光ファイバ２の他
端に配置された光センサ３ａ・３ｂで受光される。対象
物が触覚センサ部５に接触圧力を加えるとき交点をなす
各光ファイバはそれぞれ変形を受ける。その結果光ファ
イバを透過する光の全反射の条件が崩れ触覚センサ部５
に加わった力に応じた光の漏れが起きる。その結果対象
物体がふれた触覚センサ部の光ファイバ中の光量は減少
する。各々の光センサ３ａ・３ｂからの光強度信号から
演算処理装置４において各触覚センサ部５における光の
減衰を求めて対象物体との触覚位置及び接触圧力を得る
事ができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術では
触覚センサ部をなす２本の光ファイバにおける減衰は同
じであるため加わる力の総和が等しい二つの状態すなわ
ち格子の対角成分のみに力が加わった状態（図６
（ａ））とそれを対角線とする四角形の各点に力が加わ
った状態（図６（ｂ））を区別できない。すなわち、各
触覚センサ部に加わる力による光の減衰量は、図４に示
すようにｘ方向の光の減衰量ｐ１・ｐ２、ｙ方向の光の
減衰量ｑ１・ｑ２を計測しただけでは区別する事ができ
ない。本発明では、この問題点を解決し、２つの状態を
区別し各計測点に加わる力を正確に演算・検出できる光
学式触覚センサを提案するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は光ファイバを格子状に配置してその交点を
触覚センサ部となし、各光ファイバの一方端から光を入
射し他端において光量を検出し、各光ファイバの光量の
減衰量から各触覚センサ部に加わる力を演算・検出する
光学式触覚センサにおいて、前記触覚センサ部の触覚圧
に対する光減衰率を各触覚センサ部の各ファイバで可変
にすることにより各触覚センサ部に加わる力を演算・検
出するものである。上記減衰率を変える第１の方法は、
触覚センサ部の光ファイバを押しつける面積を変える事
である。上記減衰率を変化させる第２の方法は、触覚セ
ンサ部に於いて光ファイバの特性を変える事である。

【０００５】

【作用】上記手段により、同じ総和の力が加わっても、
各触覚センサ部のファイバ押しつけ面積が異なるため同
じ力に対する光ファイバの変形量は異なるものとなり、
力に対する光の減衰率分布が生じる。又触覚センサ部に
おいて光ファイバの特性（減衰率）が異なるとやはり同
じ力が働いたときの光の減衰は異なったものとなり、力
に対する光の減衰率分布が生じる。各触覚センサ部にお
いて、力に対する光の減衰率分布が生じると、同じ総和
の力が加わっても、加わる力の分布が変われば、観測さ
れる光ファイバ光の減衰は異なったものとなる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例を示す構成図であ
る。図において６、６’は光ファイバ押しつけ治具（６
は上、６’は下）である。各光ファイバを押しつける押
しつけ治具の面積は、すべて異なる面積を持つ。そのた
め同じ力が働いた時、光ファイバの受ける変形は異なっ
たものとなり、光の減衰率は各光ファイバの各触覚セン
サ部において異なる値を持つ。図２をもとに各触覚セン
サ部に働く力と光減衰率の関係を説明する。（ａ）は各
触覚センサ部に働く力の分布、（ｂ）は上層ファイバの
光減衰率分布、（ｃ）は下層ファイバの光減衰率分布を
示す。ここで、 ａ２２＞ａ２１＞ａ１２＞ａ１１＞ｂ１１＞ｂ１２＞ｂ
２１＞ｂ２２ および、 ａ１１＋ｂ１１＝ａ１２＋ｂ１２＝ａ２１＋ｂ２１＝ａ
２２＋ｂ２２＝２ となるように光減衰率が与えられているとする。モデル
として力が整数値をとる場合を考える。上層に対して光
の減衰は、 ａ１１＊ｆ１１＋ａ１２＊ｆ１２＝ｐ１ ａ２１＊ｆ２１＋ａ２２＊ｆ２２＝ｐ２ 下層に対して ｂ１１＊ｆ１１＋ｂ２１＊ｆ２１＝ｑ１ ｂ１２＊ｆ１２＋ｂ２２＊ｆ２２＝ｑ２ 観測される光の減衰ｐ１，ｐ２，ｑ１，ｑ２に以下のア
ルゴリズムを適用して加わった力の分布を演算・検出す
る。

【０００７】アルゴリズム （ステップ１）・・・各触覚センサ部の初期値を与え
る。 ｆｉｊ（０）＝ＩＮＴ｛（（ｐ１＋ｐ２＋ｑ１＋ｑ２）＊ｐｉ＊ｑｊ）／ （２＊（ｐ１＋ｐ２）＊（ｑ１＋ｑ２））｝ （ｉ，ｊ＝１，２） 式（１） ここで、ＩＮＴは少数点以下を４捨５入する演算を表
す。 （ステップ２） ｒｉ（ｎ）＝ａｉ１＊ｆｉ１（ｎ）＋ａｉ２＊ｆｉ２
（ｎ），（ｉ＝１，２） ｓｊ（ｎ）＝ｂ１ｊ＊ｆ１ｊ（ｎ）＋ｂ２ｊ＊ｆ２ｊ
（ｎ），（ｊ＝１，２） をそれぞれ計算する。ここで、下記数式１ならば列の間
で移動を行う。

【０００８】

【数１】

【０００９】すなわち、ｑ１−ｓ１（ｎ）＞０ならば ｆ１１（ｎ＋１）＝ｆ１１（ｎ）−１ ｆ２１（ｎ＋１）＝ｆ２１（ｎ）＋１ ｑ１−ｓ１（ｎ）＜０ならば ｆ１１（ｎ＋１）＝ｆ１１（ｎ）＋１ ｆ２１（ｎ＋１）＝ｆ２１（ｎ）−１ ｑ２−ｓ２（ｎ）＞０ならば ｆ１２（ｎ＋１）＝ｆ１２（ｎ）−１ ｆ２２（ｎ＋１）＝ｆ２２（ｎ）＋１ ｑ２−ｓ２（ｎ）＜０ならば ｆ１２（ｎ＋１）＝ｆ１２（ｎ）＋１ ｆ２２（ｎ＋１）＝ｆ２２（ｎ）−１

【００１０】

【数２】

【００１１】数式２ならば行の間で同様の移動を行う。

【数３】 数式２を繰り返して数式３が最小となるときのｆｉｊ
（ｎ）が求める解となる。図３（ｂ）はａ１１、ａ１
２、ａ２１、ａ２２、（ｃ）はｂ１１、ｂ１２、ｂ２
１、ｂ２２に具体的な値をいれた例を示す。このような
触覚センサに （１）の場合として（ｆ１１，ｆ１２，ｆ２１，ｆ２
２）＝（４，０，０，４） （２）の場合として（ｆ１１，ｆ１２，ｆ２１，ｆ２
２）＝（２，２，２，２） の力が働いた場合を考える（図４）。この２つの場合
は、従来の光ファイバ触覚センサではどちらも同じ光の
減衰値を観測し２つを区別する事はできない。本発明を
適用する場合観測される光の減衰は、 （１）の場合（ｐ１，ｐ２，ｑ１，ｑ２）＝（４．４，
５．６，３．６，２．４） （２）の場合（ｐ１，ｐ２，ｑ１，ｑ２）＝（４．６，
５．４，３．２，２．８）と違った観測値を与える。こ
れを上述のアルゴリズムに従って検出する。 （１）の場合 （ステップ１）・・・各触覚センサ部の初期値を与え
る。

【００１２】

【数４】

【００１３】（ステップ２） ｎ＝１ ｒ１（０）＝３．４，ｒ２（０）＝６．７ ｓ１（０）＝３．９，ｓ２（０）＝２．０ ｜ｐ１−ｒ１（０）｜＋｜ｐ２−ｒ２（０）｜＝２．１ ｜ｑ１−ｓ１（０）｜＋｜ｑ２−ｓ２（０）｜＝０．７ よって列の間で移動を行う。

【００１４】

【数５】

【００１５】ｎ＝２ ｒ１（１）＝３．３，ｒ２（１）＝６．８ ｓ１（１）＝４．１，ｓ２（１）＝１．８ ｜ｐ１−ｒ１（１）｜＋｜ｐ２−ｒ２（１）｜＝２．３ ｜ｑ１−ｓ１（１）｜＋｜ｑ２−ｓ２（１）｜＝１．１ よって列の間で移動を行う。

【００１６】

【数６】

【００１７】ｎ＝３ ｒ１（２）＝４．４，ｒ２（２）＝５．５ ｓ１（２）＝４．３，ｓ２（２）＝１．８ ｜ｐ１−ｒ１（２）｜＋｜ｐ２−ｒ２（２）｜＝０ ｜ｑ１−ｓ１（２）｜＋｜ｑ２−ｓ２（２）｜＝０．１ よって行の間で移動を行う。

【００１８】

【数７】

【００１９】数式７となり、加わった力は検出される。 （２）の場合 （ステップ１）・・・各触覚センサ部の初期値を与え
る。

【００２０】

【数８】

【００２１】数式８となり、２つの場合とも検出され
る。図４に本発明の第２の実施例を示す。ＮｘＮ個の触
覚センサ部を持つ場合も、２ｘ２個の場合と同様に押し
つけ治具の面積を変えることにより、各光ファイバの力
に対する光減衰率を変化させ、第１の実施例と同様なア
ルゴリズムにより各触覚センサ部に加わる力を検出する
ことができる。本発明の第３の実施例として、各触覚セ
ンサ部において光ファイバのクラッドの厚さを変える
と、力に対する光の減衰率は各光ファイバにおいて異な
る値を持ち、第１の実施例と同様なアルゴリズムにより
各触覚センサ部に加わる力を検出することが出来る。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば各
触覚センサ部の光ファイバの力に対する光の減衰率を変
化させているので、従来の触覚センサにおいては区別不
可能であった同じ総和でも力分布が異なる状態を区別す
ることができ、力分布を忠実に検出できる光学式触覚セ
ンサを形成できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図。

【図２】本発明の第１の実施例における検出方法を説明
するための図。

【図３】図２の減衰率の具体的な値の図。

【図４】本発明の第２の実施例を示す構成図。

【図５】従来の触角センサを示す構成図。

【図６】図５の減衰率の具体的な値の図

【符号の説明】

１ａ、１ｂ 光源 ２ 光ファイバ ３ａ、３ｂ 光センサ ４ 演算処理装置 ５ 触覚センサ部 ６、６’ 押しつけ治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 的野 正生 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバを格子状に配置してその交点
   を触覚センサ部となし、各光ファイバの一方端から光を
   入射し他端において光量を検出し、各光ファバの光量の
   減衰量から各触覚センサ部に加わる力を演算・検出する
   光学式触覚センサにおいて、前記触覚センサ部の触覚圧
   に対する光減衰率を各触覚センサ部の各ファイバで可変
   にすることにより各触覚センサ部に加わる力を演算・検
   出する光学式触覚センサ。
2. 【請求項２】 触覚センサ部のファイバ押しつけ治具の
   面積を変化させることにより各ファイバの触覚圧に対す
   る光減衰率を変化させる請求項１記載の光学式触覚セン
   サ。
3. 【請求項３】 触覚センサ部の光ファイバのクラッド厚
   を変化させることにより各ファイバの触覚圧に対する光
   減衰率を変化させる請求項１記載の光学式触覚センサ。