JPS62162935A - 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） この発明は触覚センサに関する。

（従来の技術） 単純作業の繰返し、或いは動作の手順や内存≠よ既知の
作業においては、ロボットの動作をプ・ログラムとして
予め組んでおけば、それを実行するだけで作業は完了す
る。しかし、非繰返し的で作業が逐次変わる場合には、
各種センサからの情報を利用してプログラムを修正、変
更し、そのときの状況に適応した動作が望まれる。つ・
まり、ロボットに感覚をもたせるセンサが必要になる。

これらセンサは多岐にわたるが、触覚センサは、対象物
に接触して圧力等の大きさを得るもので、その中でもと
くに重要とされている。

従来よシ触覚センサとして光学式、磁気式、静電容置式
、機械式の各種センサが使われてきている。

（発明が解決しようとする問題点） 上記従来の各檀センサは、センサ動作が１次元、もしく
は２次元であることに因って、広範囲な領域で接触情報
を得るには、極めて多数の素子を配列しなければならな
い。このため、実際上、不感領域を生じるのが避けられ
なかった。

また、センサ全体の小形化、軽輩化が困難であり、信号
疏の数も素子数にル６じて増大するのでその扱いが大き
な問題となってきた。本発明は、このような問題を解決
するために成されたもので、不感領域を全く有せず、任
意方向からの力を感覚する３次元触覚センサを提供する
ものである。

（間一点を解決するための手段） 本発明は（１）表面が球面又は円筒面である感触部に、
その後方又は内方へ突き出た支持棒が付いた感触体と、
必表範囲内で三次元動作を自在に行う上記支持棒の棒端
側を受入れたセンサ本体と、上記本体に一端を固定し、
他側を上記感触体側に係合させて、該感触体を弾力的に
、基準位置、基準姿勢に保持するよう配設した複数個の
弾性体と、上記各弾性体の変形鼠又は負荷変動、あるい
は上記支持棒の変位−を検出、送信するそれぞれの検出
装置とを備えることを特徴とする触覚センサ。（２）表
面が球面である感触部に、その後方へ突き出た支持棒が
付いた感触体と、上記支持棒の棒端側を、盛装範囲内で
抜きさし、回転及び全方向傾動可能にする複合軸受に通
して受入れた端板をもつ筒形センサ本体と、上記支持棒
棒端側に、上記軸受からの脱出を防ぐよう取付けたスト
ッパと、上記本体端板、又は端板寄）本体内壁に一端を
固定し、他側を上記支持棒端に係合させて軽く引張り、
上記支持棒を、そのストッパが上記軸受に接して立つ基
本位置、基本姿勢に保持する数組の送信可能なひずみ計
つき弾性体とを備えることを特徴とする触覚センサ。（
３）表面が８１４面でめる感触部に、その内方へ求心回
に突き出た数本の支持棒が二組、軸方向に並んで付いた
感触体と、必要範囲内で三次元動作を自在に行う上記各
支持俸を、それぞれの開口部から受入れた円筒形センサ
本体と、上記各間口部縁に、それぞれの一端を固定し、
他側を上記支持棒又は上記感触部内面に係合させて、上
記感触部円筒面を上記本体に対し同軸の基本位−１基本
姿勢に、弾力囚に保持するよう配設した弾性体と、上記
各弾性体ｐ変形域又は負荷変動、おるいは各支持棒の質
位置全検出、送信するそれぞれの検出装置とｔ備えるこ
と’ｋｅｋとする触覚センサ。（４）表面が鞠向閲でお
る感触部に、その内方へ求心「すに笑き出た数本の支持
棒が二組、軸方向に並んで付いた感触体と、必貴範囲内
で三次元動作を自在に行う上記各支持棒を、それぞれの
開口部から受入れた円筒形センサ本体と、上記各間口部
縁に、それぞれの一端を画定し、他側を上記支持棒又は
上記感触部内面に係合させて、上記感触部円筒面を上記
本体に対し同軸の基本位置、基本姿勢に、弾力的に保持
するよう配設した弾性体と、上記二組の支持棒の、求心
旧に集った棒端を連結した夫々一枚の連結板と、上記各
連結板上、上記本体軸心に当る基準点の偏位量を検出す
る検出装置とを袖えることを特徴とする触覚センサであ
る。

（作用） 本発明は基本的に、必狭範囲内で三次元動作次可能にす
る感触体の支持棒を、センサ本体に受入れ、複数個のは
ね等、弾性体により、感触体を基準位置、基準姿勢に弾
力的に保持するから、各弾性体の変形量、負荷変動、又
は支持棒の変位量を検出、送信するそれぞれの検出装置
が、外力による計測値変化のデータを送シ出す。

そのデータは、演算装置で処理すれは外力の大きさ、方
向、作用点→を求められるものである。

本発明は先端に球面感触体をもつ端部センサと、円細面
感触体を本体外側に同軸につけた外周センサとの二型式
揃えた。前者は例えは盲人の指先のように感触体を進め
て対象物に触れ、その触れた時の上記各弾性体の変形量
、負荷変動のデータを送って、演算装置により、対象物
の反力の強さ、方向、位置等を算出させる。後者は例え
ば盲人の腕又は杖のように静かに振シ回して対象物に触
れ、各弾性体の変形域、負荷変動、又は求心的に本体中
央に集った支持棒の連結板基準点の変位データを送って
、対象物が触れた位置、反力の強さ、方向等の算出を可
能ならしめる。

（実施例） 第１図（α）（ｂ）は本発明の、球面感触体をもつ端部
センサの実施例ａ０）で、七のｌはセンサ本体、ｌαは
その端板、コは感触体、Ｊはその支持棒、ダは複合軸受
で、その軸は支持棒３を抜きさし、回転可能に支持する
摺動軸受、その外側のｌｌｂは支持棒３を全方向傾動可
能にする球面軸受である。６は弾性体であるコイルバネ
で、図（αンでは四本、図（ｂ）では三本に画いた。７
は支持棒３の棒端に、弾性体乙の端を取付けるため付け
た円板、ざは支持棒Ｊが軸受ダから脱出しないように付
けたストッパの環、りはひずみ検出素子である。

第２図（ａ）　（６）は感触体−に外力Ｆが加わった状
態を示す。弾性体６の数が三個でも四個でも、外力ｒに
よシ感触体支持棒３は本体ｌ内へ押込まれ、また傾斜す
る。つまシ第１図の基準位置、基準姿勢の感触体λが、
弾性体６の拘束力に抗して変位し、そのため三又は四個
の弾性体６が、それぞれ独自の長さ、負荷になる。それ
ぞれのひずみ検出素子デがこれを検出、送信するので、
これらの情報を任意の演算装置で演算処理して、支持棒
３端部の人込み社や傾斜角が得られる。

これらは感触体コに加わる力Ｆの大きさ、傾さ、作用点
位置の関数として表わされるので、外力ｒが求まる。な
お複合軸受ダの摺動軸受ダαにリニアブッシング、ひず
み検出素子？に半導体ひずみゲージを用いるのが一般で
あるが、その他の適当な機械要素、検出素子も充当でき
る。

次に円筒体の全周面に感覚をもたせる外周センサ６０の
実施例を第３，４図によって説明する。

円筒感触体コは、センサ本体／の開口部１０へ各支持棒
３を求心的に押入し、基準位置、基準姿勢では第１，２
図のように本体ｌと同軸を保つ。

図（α）では円筒感触体コ内面から直角に内方へ突き出
た支持棒３が四本−組で、二組、軸方向に並んでいるが
、図（ｂ）では三本−組に向いた。

実用上、いずれでもよい。

各支持棒３は開口部１０から本体／内へ入った所に皿板
形ストッパｇを固定し、開口部ＩＯ山内縁付けたバネ受
Ｓとの間に、弾性体６であるコイルバネを入れている。

なお弾性体６は、本体開口部ＩＯの外縁と円局感触体コ
内面との間に入れてもよい。

この実施例では、ストッパｊの位置を微調整して、感触
体−周面を本体ｌと同軸、つまシ本体周面との間隔を全
周同一にした後、求心的に細心部へ集中した各支持棒３
端を連結板７によシ連結、固定している。

−ｍ所に集る支持棒３の数は、第３図（α）では四本、
同（６）では三本に画いたが、いずれにしろ二組、軸方
向に並んで、感触体コ内面から垂直に突き出ている。谷
支持棒３と連結板りとの結合方法は任意でめって、図で
はろう接したように画いたが、無論、重ねネジ止めして
もよい。

なお弾性体６も例えば、支持棒Ｊを通す軸穴つきのゴム
にしてもよい。弾性体６はいずれも、ｔスソ無応力の状
態で配設してもよいし、均等な圧縮又は引張シ沁力状態
で釣合わせ配設しても遭い。

こうして筒状感触体−と本体ｌは同軸に保持され、外力
Ｆが作用すると、第４図（α）（ｂ）のように偏心状態
になる。つま）外力ｒの作用点に近い位置にある弾性体
６が伸はされ、反対側の弾性体６が縮められて安定する
。外力Ｐが第４図（α）の位置から右側へ移るにつれ、
右側の組の支持棒３、弾性体６も次第に変形量がふえ、
やがて左右逆転して、右側の方が大きくなる状態は力学
的に求められる。

従って各弾性体乙の伸縮社、それによる発生応力を、図
示しない検出電子（第１，２図の符号デ参照）によって
検出し、それらのデータを演算処理して、感触体−に加
わる外力Ｆの大きさ、方向、および接触位置を算出する
事ができる。

第３，４図の様に、各支持棒３の棒端に連結板りを結合
して、感触体コと一体化した場合には、連結板りの、本
体軸心に当る基準点のピンホール／３の変位を、これを
挟むよう本体ｌ内に固定した投光器／／、受光器ｌコに
よシ検出してもよい。このような光学的手段のほか、磁
気的変化、容−変化等の電磁旧手段を用いてもよい。

第３，４図中、感触体コを支持する支持Ｊ４Ｊは二つの
感触体横断面に並んで配ａｉでれ、円面感触面のどの位
置に外力Ｆが作用しているかｙ演算できるようにしてい
る。しかし、円筒感触面の軸方向長さをごく履くり、輪
形感触体としｔｃ場合、支持棒３は当然、−組だけにな
る。そして、その場合、弾性体６の変形は伸縮方向だけ
でなく剪断方向の変形も検出すると、外力Ｆの方向が演
算できる。

また、第３，４図の実施例では、本体１１感触体コを導
電体にすれば、一定圧以上の外力が加わった時、両者が
導通する機械的スイッチになるので、これをオン・オフ
触覚七ンサとする事もできる。

本発明は感触体に加わる外力の大きさ、方向、作用位置
を演算するためのデータを即時に送るものであるから、
ジョイスティック等の力の入力装置としても応用できる
。第５図はその一例としてグリップ用ジョイスティック
の構成例を示したもので、先端に第１図の端部センサｇ
ｏ。

その下に第３図の外周センサＷを二段組合わせている。

この構成は盲人用の杖にも適用できる。

以上、少数の実施例について述べたが、この発明の実施
態様は上述の端部センサ、外周センサに限るものでない
。例えは感触体先端を、Ａｉ７述の支持棒先端を丸めた
だけのものにするとか、第１図のように弾性体６′に傾
斜させず、支持棒の軸線方向のバネと、これに直角な面
内の複数バネとで支持棒を基準位置、姿勢に保持すると
か、各実施例の弾性体の伸縮、剪断方向変位量全ポテン
ショメータその他周知の変位検出装置によシ求める等、
設計者の公知技術によシ多様に変化、応用し得る。

（発明の効果） 本発明は棒状本体端部の全域、およびその外周全域にわ
たり、外力の感触を可能にした。

センサ単体を必要な面断に取付けるという従来の考え方
では、センサ相互間に生ずる不感帯を避けられなかった
が、本発明は革新的発想により、その不感帯をなくした
。

すなわち本発明は感触体に支持棒を加え、必要範囲内で
三次元動作を自在に行う棒端側を受入れた本体と、複数
個の弾性体によυ、感触体を弾力「ゴに基準位置、基準
姿勢に保持させたから、外力で感触体が変位させられた
時、上記各弾性体や支持棒の変位、ｌたは負荷変動を検
出する検出装置がそれぞれデータを送信する。このデー
タｔｉ当な演算装置で処理すれは、その外力が求められ
、外力を生じた感触対象物の状態を推察するデータが得
られる。

つまシ本発明は、今後ますます進歩するコンピュータの
演算、解析能力を活用し、少数の検出データによシ多岐
にわたる接触状態を求めるための探査子となる新規な触
覚センサである。

感触体を弾性体によ〕基準位置、姿勢に保持す、るから
、外力が失れは正確に戻るだけでなく、外力による弾性
体の寸法変化と負荷変動は比例―係にアり、そのいずれ
かを検出すれは他も求められる点で、検出関係部材を簡
素化でき、小型化を容易にした。

本発明をロボットに応用すれは、人間の皮膚感覚にも似
た触覚能力をロボットの手や指の部分に与えられ、従来
困難であった指先センサの実現も可能にした。

【図面の簡単な説明】

第１図（α）は本発明一実施例の要部縦断面図、同図（
ｂ）はその側面図、第２図（α）（ｂ）は第１図（α）
（ｂ）の負荷状態説明図、第３図（Ｑ）は本発明の他の
実施例の要部縦断面図、同図（６）はその側面図、第４
図（α）（ｂ）は第３図（α）（ｂ）の負荷状態説明図
、第５図は本タロ明を適用したジョイスティックの一例
立面図である。 ／・・・センサ本体、λ・・・感触体、３・・・支持棒
、６・・・弾性体（バネ）、り・・・検出素子。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面が球面又は円筒面である感触部に、その後方
   又は内方へ突き出た支持棒が付いた感触体と、 心要範囲内で三次元動作を自在に行う上記 支持棒の棒端側を受入れたセンサ本体と、 上記本体に一端を固定し、他側を上記感触 体側に係合させて、該感触体を弾力的に、基準位置、基
   準姿勢に保持するよう配設した複数個の弾性体と、 上記各弾性体の変形量又は負荷変動、ある いは上記支持棒の変位量を検出、送信するそれぞれの検
   出装置と、 を備えることを特徴とする触覚センサ。
2. （２）表面が球面である感触部に、その後方へ突き出た
   支持棒が付いた感触体と、 上記支持棒の棒端側を、必要範囲内で抜き さし、回転及び全方向傾動可能にする複合軸受に通して
   受入れた端板をもつ筒形センサ本体と、 上記支持棒棒端側に、上記軸受からの脱出 を防ぐよう取付けたストツパと、 上記本体端板、又は端板寄り本体内壁に一 端を固定し、他側を上記支持棒端に係合させて軽く引張
   り、上記支持棒を、そのストツパが上記軸受に接して立
   つ基本位置、基本姿勢に保持する数組の送信可能なひず
   み計つき弾性体と、 を備えることを特徴とする触覚センサ。
3. （３）表面が円筒面である感触部に、その内方へ求心的
   に突き出た数本の支持棒が二組、軸方向に並んで付いた
   感触体と、 必要範囲内で三次元動作を自在に行う上記 各支持棒を、それぞれの開口部から受入れた円筒形セン
   サ本体と、 上記各開口部縁に、それぞれの一端を固定 し、他側を上記支持棒又は上記感触部内面に係合させて
   、上記感触部円筒面を上記本体に対し同軸の基本位置、
   基本姿勢に、弾力的に保持するよう配設した弾性体と、 上記各弾性体の変形量又は負荷変動、ある いは各支持棒の変位量を検出、送信するそれぞれの検出
   装置と、 を備えることを特徴とする触覚センサ。
4. （４）表面が円筒面である感触部に、その内方へ求心的
   に突き出た数本の支持棒が二組、軸方向に並んで付いた
   感触体と、 必要範囲内で三次元動作を自在に行う上記 各支持棒を、それぞれの開口部から受入れた円筒形セン
   サ本体と、 上記各開口部縁に、それぞれの一端を固定 し、他側を上記支持棒又は上記感触部内面に係合させて
   、上記感触部円筒面を上記本体に対し同軸の基本位置、
   基本姿勢に、弾力的に保持するよう配設した弾性体と、 上記二組の支持棒の、求心的に集つた棒端 を連結した夫々一枚の連結板と、 上記各連結板上、上記本体軸心に当る基準 点の偏位量を検出する検出装置と、 を備えることを特徴とする触覚センサ。