JPS63132641A - 痛覚センサ - 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］ 本発明は、ロボッ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、臭覚は独立した構造
物としての感覚器官を持っているのに対し、皮膚感覚は
独欣した感覚器官を持たず、受容器は全身を被っている
皮膚の中に埋め込まれている。従って、受容器の受は取
ることのできる刺激は皮膚によっ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っている。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、いわゆる触圧型と痛覚
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、触圧型とは相違していることがわかる。

そこで・、本発明者らは１機械的刺激°による痛覚が皮
膚変形のどのファ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
った。その結果、受容器が垂貞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っ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
をト下二層に合わせ、上下のトランスデユーサを、キれ
らによって得られたひずみ信号の差１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えると、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、変換器においランスデューサは、柔
軟材料によっ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によっ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ジ１１−― の粉末を混入し、加圧による変形によって導電性が変化
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ｌ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、それらによって得ら
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、
その結果を七れぞれマイクロコンピュータに取り込み、
そのマイクロコンピュータ内で抵抗値の逆数動が激しく
なり、不安定で特性が分りにくくなる。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。

Ｅ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図は上記痛覚センナを柔軟体に取付けて使設け、そ
の上に二層構造の痛覚センサｌを取付けている０才だ、
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ｌ、痛覚
センサｌ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１２との間は
、いずれも接着されてｉ／）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。

次に上記痛覚センナ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、１ｖ
、極の大きさが２履鳳Ｘ２ｍｍ、感圧導電性ゴムは、約
０．１５ｓｅｃであり、計測時の変位速度は０．０５Ｗ
■／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覚センサの応答を
みるために、第３図Ａ−Ｃに示すような３種類のポンチ
を用いて測定を行った０図中、第３図Ａ、Ｈ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っている棒である。

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
ンナ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の場末を第４図Ａ
−Ｃに示す０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
と仮足し、反応の閾値を求めた。差分値に対する閾値を
２Ｘ　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９
円柱状ポンチの場合、直径が細い方が少ない押し込みで
闇値に至っている。

と想定できる。閾値としては、図に共通して示しである
ように、’５Ｘ１０−４Ω−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っている。

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っている。

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下側のト
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って、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
の尖っ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って形成したの
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図は上記痛覚センナ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は実験結果金示す線図である。 １−・痛覚センサ、 ２．３　・・トランスデユーサ、 ７・φ変換器。 指定代理人 工業技術院製品科学研究所長 高ｗｉ教司 第１図 押りニド量

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、圧縮ひずみを電気信号に変換する柔らかいトランス
   デューサを上下二層に合わせ、上下のトランスデューサ
   を、それらによっ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
   。