JPS60263690A - 触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明にロボットの触覚器として用ｒて好適な触覚セン
サの構成に関する。

【従来の技術】

物体を把握して移送する作業などを行なうロボットの把
持機構部分には、物体の位置、形状を検出するための触
覚センサが使用されるが、従来の触覚センサとしてにス
プリング、バネなどの弾性を応用した触針式のもの、導
電性ゴムの接点を用いたも−の、感圧導電性ゴム企利用
したもの等があり、これらに接触点の位置をめるために
は素子２マトリクス状に組まなければならなかった。

【発明が解決しようとする問題点】

このように従来の各種触覚センサでに、マトリクス状に
組んだ多くの素子に対して電気配線が必要となり、ロボ
ットの腕部に沿わせて多数の配線を施したのでにロボッ
トの円滑な動きを阻害するばかりでなく配線工事が大が
かりとなる問題があった。 さらに、この種従来のセンサに２次元の平面的位置を検
出し得るだけであって、物体の立体的形状については例
えば曲率についてに全く検出することができなかった。 そこで１本発明にかかる従来の欠点の解消をはかるべく
成すれるに至ったものであって、高分子圧電材料を要素
とした柔軟性を持つ高分子圧電シートにＸ方向、Ｘ方向
の２次元的配置の電極を組合わせることによって、検知
対象物が高分子圧電シートに接触したときの位置及びシ
ート変形の状態で変化する各電極の電位を加減除算及び
積分演算して、接触点の２次元座標及び曲率Ｐ簡単に検
出できるようにし、もって各種のロボットに対し人混な
適用を可能とすると共に、連絡配線の減少をにからせて
、しかも検出精度の向上を果させることを本発明に目的
とする口

【問題点を解決するための手段】

しかして未発明に触覚センサを高分子圧電シートと、Ｘ
座標検出ラインと、Ｘ座標検出ラインと、曲率検出ライ
ンとから構成したものであって、高分子圧電シートニ、
高分子圧電材料からなるシート２挾んで両面に、非接地
体としてのカーボン含有高分子薄膜と接地体としての金
属薄膜とを大々密着して有する積層体の単層構造又に２
層重合構造をなして加熱・加圧処理により一体＃１．形
され、全体としてシート厚み方向に変形し得る柔軟性な
有すると共に、前記カーボン含有高分子抵抗薄膜にｌｘ
Ｘ方向相対向する両端辺及び該Ｘ方向に直交するＸ方向
で相対向する両端辺に電極が大々組をなし導電的に密着
されて、さらに分極処理が施されている。 −１、Ｘ座標検出ライン及びＸ座標検出ラインに、Ｘ方
向及びＸ方向に相対向する２個の各電極に大々接続した
２個の非反転増幅器の両信号を差算して、この値をそれ
等両信号の和算値で除す演算機能を持つものである。 また５曲率検出ラインに前述した４個の非反転増幅器の
各信号の総和なめて、この和算値を積分することにより
、検知対象物の曲率を検出する演算機能を持つものであ
る。

【作用】

かかる構成を有する本発明に、高分子圧電シートを例え
ばロボットの指部に対し平面５曲面のいずれでも沿わせ
て装着可能であり、またＸ方向座標、Ｘ方向座標及び曲
率を演算する装置との連絡配線は最少限の４木にとどま
り、かつ検出情報数に４個であって演算が容易に行えて
、２次元座標と合わせて検知対象物の接触面の曲率を同
時に検出する機能を有しているが、２次元座標及び曲率
を検出する原理は後述の実施例中の説明によって明らか
にする。　。 ■実施例】 以下、本発明の実施例を添付図面にもとづき詳細説明す
る。 第１図に本発明の１例の構造を概要示する展開図であり
、また、第２図乃至第４図に第１図における高分子圧電
シートの構造を示すものであって、該高分子圧電シー）
ｆｌ）ｌ’ｊ高分子圧電材料例えばポリフッ化ビニリデ
ン［ＰＶＤＦ］からなるシート＋２１を挾んで両面に、
カーボン含有高分子抵抗薄膜（以下抵抗膜と略称する］
（３）と金属薄膜

【以下金属膜と略称する】（４Ｊとを
夫々密着することにより形成される積層体を加熱・加圧
処理

【ホットプレス］し一体構造となしてＡる。 なお、高分子圧電材料としてにＰＶＤＦのほかに圧電性
を示す高分子材料であればＡずれも適用可能であり、−
万、抵抗膜〔３）ニフッ素樹脂中にカーボン微粒子な均
等に分散させて薄いシートに仕上げたもの等′が例とし
て挙げられる。 かく構成した高分子圧電シー）　［１１に一抵抗膜（３
）のＸ方向【第１図の横方向】の両端辺に、帯状をなす
部分とこの中央部に連接して外側にシー）　［２１に密
着した短帯状をなす部分とからなる電極［５ｘｌ。

【５Ｘ）を、アルミニウム蒸着等の手段により抵抗膜（
３）に導電的に密着して配設すると共に、Ｘ方向に直交
するＸ方向【第１図の縦方向】の両端辺にも前記電極［
５ｘｌ、　［５ｘｌと同構造をなす電極［５ｙＬ（５ｙ
］を配設せしめる〇 上記電極［５ｘｌ、　［５ｘｌと電極［５ｙ］、　［５
３１１とに短絡しないように離隔せしめることに言う迄
もない０上記構造となした高分子圧電シー１１１１ｉ加
熱炉に収納して、高温下において抵抗膜（３１と金属膜
＋４］との間に適当値の直流電圧を印加し、そのまま室
温まで冷却することにより分極処理を施すが、この分極
処理により高分子材料に実質的に圧電性を示すようにな
る。 そして分極処理が成された前記シート［１１に各電極［
５ｘｌ、　、［５ｘｌ、　（５ｙ　］ｊ［５ｙ　］に各
導緑（ｔ、］〜（ｔ４）を接続した後、弾性板例えばゴ
ム板［６１の表面に貼りつける

【第１図参照］０ ざらに、高分子圧電シー）　ｉｌ＋の各電極（５ｘｌ、
　［５ｘ）ｍ　［５ｙ］、［５ｙｌに接続した導ａＥｔ
、２〜【ｔ４］に対して、Ｘ座標検出ライン＋７１．３
＋座標検出ライン（８）及び曲率検出ライン（９）分接
続せしめるが、Ｘ座標検出ライン（７）とｙ座標検出ラ
イン（８）とに同構造であるので、Ｘ座標検出ライン（
７）について説明すると、各電極［５ｘ１．　［５ｘｌ
に接続してなる導＠Ｅｔ山【ｔ、］の端邪に非反転増幅
器［１０ｘｌを大々接続して、それらの両出力端子に対
して加算器［１１！］と減算器【１２Ｘ】とを並列的に
接続し、さらに加算器［１１ｘｌの出力端子と減算器１
１２Ｘ］の出力端子を割算器［１３ｘｌの各入力端子に
接続していて、非反転増幅器［１０Ｘ］、　［１０ｘ］
の両信号を減算器ｔ１ｚｘｌで差算して、この値を加算
器［１１ｘｌで演算した両信号の和算値を除数として割
算器（１３Ｘ］で除算するように形成している。 −１、曲率検出ライン（９）に、Ｘ座標検出ライン（７
）における加算器［１１Ｘ］の出力端子と、Ｘ座標検出
ライン＋８１における加算器＋１１ｙｌの出力端子とを
加算器［１１Ａ］の各入力端子に接続すると共に、該加
算器［１１Ａ］の出力端子を積分器（１４）の入力端子
に接続した回路となっていて、前記４個の非反ｔＪｉｌ
ＩＩＩｊｉｌ器［１０ｘ］、　［ｌＯｘ］、　１１０ｙ
１．　［１Ｏｙｌ　（７）各信号の総和なめて、この和
算値を積分するように形成してｂる。 これらの加算、減算１割算、積分の演算にアナログ回路
で実現できるが、非反転増幅器［１０Ｘ）・

【１０ｙ　
）の信号を性愛換器でディジタル信号に変換し、マイク
ロコンピユータに取り込んでソフトウェアで演算処理し
てもよい。 なお、金属膜［４］ｆｆ接地分とるようにするものであ
る。 次に上記センサによって、方形状ななす抵抗膜［３）に
検知対象物（りが押しつけられたときの【第５図参照］
、該位置に対する抵抗膜（３）上でのｘ、ｙ各座標なら
びにひずみ形状の曲率を検出する原理について以下説明
する。 まずｙ軸、ｙ軸についてに同じ要領であるのでＸ軸方向
の１次元で考える。 圧電材料に第５図のように検知対象物（ロ）で押されて
形状ひずみが加わると、分極が生じ端子（ａ〕。 （ｂ）間に電圧が生じる。 第６図に端子（ａ）、（す間に生じた電圧を縦軸に、時
間な横軸にとって示したもので、この線図から明らかな
ように、第５図々示状態を電気的等価回路に置換すると
、第７図の如くなる。 すなわち検知対象物【以下ワークと称する］（ＷＯテ押
された部分にｔ＝ｏで電荷［Ｑ、］を持つコンデンサで
表現される。 抵抗膜【３）は方形面に対し抵抗が一様に分布している
ので、ワーク←〕の接点の右側【第５図上で】の抵抗値
ｉＲｋ、左側の抵抗値にＲＬ　で大々表現される。 今、第７図のように、センサの両端に検出回路ＯＱを大
々取りつけ、左右に生じる電位ＶＬｓ’ＶＲ’Ｅ計算す
る。 この場合、オペアンプ［０，Ｐ］の■端子は金属膜（４
）と同じように接地する。 Ｖｘ、Ｃｔ、）＝　−−７（ｔ）　・・−ＫＬ ’７−　ｐ　（ｗ）の接触点を変数Ｘとすると−ＲＬ　
＃　ＲＲに第８図のように等何曲にスライド抵抗で表現
される。 ＲＬ　−ＲＨ＝＝　２ｘＲ（１ｍ、・　（／ツここに２
Ｒｏ＝　ＲＬ　＋　ＲＲ・・・　（ハ）′より、 （イ）、（司式なに）式に代入すると、この（ホ）式よ
りある時間１　＝　１８　において接触点の座標（ト）
が”Ｒｌｔｅｌｓ　ｖＬ［ｔｏｌよりめられる。 次に曲率の検出について説明するが第７図のＲＬを流れ
る電流を↓Ｌ（ｔＪ、　ＲＲを流れる電流をｉ　Ｒ（ｔ
）と但し０は仮想コンデンサ容量 が導かれる。従って（へ）式？ラプラス変換すると、１
’　１　１ Ｑ（Ｓ）＝ａｖ（Ｓ）＋（−＋−１−Ｖ（Ｓ）ＲＲ，Ｒ
ＬＳ となり、 Ｖ　（ＳＪ　’Ｅ−ｇなる積分要素を通じてｖ’（Ｓ）
として取り出すと。 ここで曲率（γ）のワーク（Ｗ）を押し当てたときに生
じる電荷（りに実験を行った結果より、Ｑ＝ｘ−ａ、Ｔ
２・γ　愉・・　（すＪＫ；比例定数 ｄ；圧ｌ率 Ｔ；高分子圧電材料の厚さ γ；ワーク（ロ）の曲率 が得られている。 したがって、一定曲率γ０　のワーク（ｗ）を押しあて
たときの発生電荷Ｑ（Ｓ）に Ｑ　（Ｓ）　＝　となる。 ここでＱ。＝に、ｄ、Ｔ２・γ０　・・・　（２）これ
を（ト）式に代入すると、 ラプラス変換の最終値定理より これにＣず式、に）式コ代入すると、 ”　Ｑｏ　＝　Ａｉｍ　Ｖ’（ｔ）　−、（、ｙｊ）

【
ｌ−χ２］Ｒｏ　ｔ−＋伽 図式より。 Ｃ０１（ロ）式より、 ＝　−［Ｖ’Ｂ（ｔ）＋ＶＬ（ｔＪ）（１−Ｘ２）　−
−−（ＬＪ（一式を（動式に代入すると、 となる。 以上の結果から、曲率γ。のワーク（Ｗ）を高分子圧電
シート【ｌ】に押し当てた場合、（ホ）式、（Ａ式から
ＶＲ（ａ　、　ＶＬ（ｔＪ　をめることによって接触点
（幻のＸ。 Ｘ座標ならびにワーク（Ｗ）の曲率（γ）を得ることが
できる。 すなわち、（句弐に対同電極［５ｘ１．、　［５Ｘ］に
おける各０号

【対向電％　［５ｙ１．　［５３’］　’
こついても同様である】の差を和算値で除丁ことによっ
てＸ座標

【Ｘ座標】が抵抗膜［３］の中心点からの変位
として得られ、また、（’／）式によって対向電極（５
ｘＬ　［５ｘ）の各信号の和算値をさらに積分すること
によってＸ方向の曲率が得られること′？ｉ：明示して
いるのであって、従ってＸ方向、Ｘ方向を平均した曲率
をめるには、各電極［５ｘ）、　［５ｘ）、　［５ｙｌ
、　［５ｙｌの各信号

【和算してこれをさらに積分すれ
ばよいことに言うまでもない。 以上述べた構成及び検出機能を有する触覚センサの高分
子圧電シー）　［１１に第１７図（イ）、【（ロ）に示
すｍ＜、ロボットハンド部（ロ）のフィンガーに実装す
ると、物体との接触位置、接触曲率の情報を出す触覚セ
ンサとなることに言うまでもない０この場合、前記シー
）＋１１ｆｉ薄くしかも柔軟性を有しているので、第１
７図（句のような人間の指に似た曲面を持つフィンガー
にも簡単に装着できる。 なお、高分子圧電シート【１］の表面にワーク（ト）と
の接触による外傷防止、また、金゛属製ワーク（Ｗ）に
接触した際の電荷の漏洩を防止するために、絶縁被膜例
えばフッ素樹脂薄膜を貼着することが望ましい。 次に第９図乃至第１６図ピノ発明の他の実施例に係る高
分子圧電シーＴ−［１１を示しており、該シート（１）
に、抵抗膜（３）、高分子圧電材料からなるシー１ｆ２
１．金属膜（４）、前記と同じシート［２）及び抵抗膜
（３１を順に重ねて加圧、加熱処理し一体に形成したも
のであって前述例が積層体の単層構造であったのに対し
て２Ｒ重合構造ななしている〇この例に片面例えば第１
０図において上面の抵抗膜（３１にＸ方向の対向電極（
５ｘ）言５ｘ）を、下面の抵抗膜（３］にｙ方向の対向
電極【５ｙ】・

【５ｙ】を天々導電的に密着させること
により、Ｘ座標系抵抗膜とＸ座標系抵抗膜とに大々独立
させた構造である点が前述例と異なっているだけで各検
出ライン（７）。 ［８１，＋９１との組合わせならびに検出機能に関して
に前述例と同じである。 た丈し、前述例［第１図乃至第３図に示した例］の単層
構造に較べると、製作面で稍々複雑でコスト高につなが
るが、第１６図ピノ（ロ）に比較示しているように一位
装置検出直線性についてひずみが少くて検出精度が僅か
にすぐれていると考えられる０また、単層構造に比して
各対向電極から取り出される信号レベルに倍加するので
ＳＮ比が高い利点がある。 次に、第１２図乃至第１５回に本発明の実施例に係る高
分子圧電シー）　［１１を示したものであってこれもま
た２層重合構造であるが、抵抗膜（３）を中心層となし
て、その両面に高分子圧電材料からなるシート（２１を
密着させ、さらにその内外面に接地体としての金属膜（
４）を密着させた構造であって１枚の抵抗膜［３１にＸ
方向、Ｘ方向の対向電極（５ｘＬ［５ｘｌ、　Ｅ５ｙ１
．　（５ｙｌご設けてなる点は単層構造の前述例と同要
領であって検出特性に関しても全く同じれてなる金属膜
であって、信号ピックアップを行う中心層の抵抗膜（３
）に対してシート効果を奏するので前記単層構造に比し
ＳＮ比が強化されるし。 特に絶縁被膜を設ける必要になく、このままの状態テロ
ボットのフィンガーに装着できる。

【発明の効果】

本発明に柔軟性のある高分子圧電シー）　［１１を触覚
センサにおける検出体に用いているので、平面部分にも
とより曲面の部分にも容易に装着でき。 各種のロボットに適用し得る汎用性２有している。 さらに、検知対象物（Ｗ）の接触点のＸ座標、Ｘ座標を
同時にめることができ、かつ併せて検知対貨物（Ｗ）の
接触部における曲率も検出できるので、検知対象物（Ｗ
）の立体構造に適応した把握動作をロボットのフィンガ
ーに行わせることができる。 また、Ｘ座標、ｙ座標及び曲率の検出に際して信号を伝
達するための導線に４木（接地線を含めると５木］と最
少数で済むことから、ロボット用触覚センサＧこ対する
配線処理が頗る容易であると共に、ハンドの周囲のおさ
まりが良くて円滑な動きを助長するものであって、実用
価値に冨むところ多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は未発りＪの１例の構造を概要示する展開図、第
２図乃至第４図に第１図における高分子圧電シートの平
面図、第２図のＡ−Ａｍに沿う断面図及び底面図、第５
図乃至第８図は本発明の検出性能の原Ｍを示すための各
説明部、第９図乃至第１１図に本発明の１実施例に係る
高分子圧電シートの平面図、第９図のＢ７Ｅ線に沿う断
面図及び底面図、第１２図乃至第１５図に本発明の他実
施例に係る高分子圧電シートの平面図、第１２図のａ−
ａ線に沿う断面図、第１３図のＤ−Ｄ線に沿う断面図及
び底面図である。また第１６図に未発明の各個に係る高
分子圧電シートの位置直線性解析図、第１７図け）、（
切に未発明触覚センサをロボットハンド邪のフィンガー
に実装した図である。 ［１１・・・高分子圧電シートｓ　［２］・・・シート
。 ［３］・・・カーボン含有高分子抵抗薄膜。 （４）・・・金属薄膜、［５Ｘ］・・・Ｘ方向電極。 【５ｙト・・ｙ方向電極、（７）・・・Ｘ座標検出ライ
ン。 （８）・・・ｙ座標検出ライン。 （９）・・・曲率検出ライン。 ［１０ｘｌ　［ｌｏｙ　］・・・非反転増幅器。 （Ｗ）・・・検知対象物。 第５図 第７図 第８図 弐 第１６図 （ロ）二層構造もの　（イ）岸眉構亀６の第１７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高分子圧電材料からなるシート（２１を挾んでその
   両回に、非接地体としてのカーボン含有高分子抵抗薄膜
   【３）と接地体としての金属薄膜（４）とを大々密着し
   て有する積層体の単層構造またに２層重合構造２なして
   、加熱・加圧処理により一体に成形され、全体としてシ
   ート厚み方向に変形し得る柔軟性を持つと共に、前記カ
   ーボン含有高分子抵抗薄膜（３Ｉに汀、Ｘ方向で相対向
   する両端辺及び該Ｘ方向に直交するＸ方向で相対向する
   両端辺に電極［５Ｘ］、　（５３１１が大々組をなし導
   電的に密着されて、さらに分極処理が施されてなる高分
   子圧電シートｉｌ＋と、Ｘ方向の各電極［５Ｘ］Ｉ　［
   ５Ｘ］に大々接続した２個の非反転増幅器１１０Ｘ］１
   　［１０Ｘ）の両信号を差算して、この値をそれ等両信
   号の和算値で除すことにより、前記高分子圧電シート（
   １）に接触した検知対象物（Ｗ）のＸ座標を出力し得る
   Ｘ座標検出ライン（７）と、Ｘ方向の各電極［５７］、
   　［５ｙ）に大々接続した２個の非反転増幅器［１０ｙ
   ｌ、　［１Ｏｙｌの両信号を差算して、この値をそれ等
   両信号の和算値で除すことによ一す、前記検知対象物（
   ロ）のＸ座標を出力し得るｙ！標検出ライン（８］と、
   前記４個の非反転増幅器【工ＯＸＩ、　［１０Ｘ］、　
   ［１Ｏｙｌ、　［’１Ｏｙｌの各信号の総和なめて、こ
   の和算値を積分することにより、前記検知対象物←Ｊの
   曲率を出力し得る曲率検出ライン（９］とを備えている
   ことを特徴とする触覚センサ。