JP2006275979A - センサ素子、センサ装置、対象物移動制御装置、対象物判別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元的に働きかける外力を好適に検知可能なセンサ素子を提供する。
【解決手段】対象物ＯＢから受ける外力Ｆにより圧縮又は伸張可能な弾性部材Ｅと、前記外力Ｆを受け変形した際に電気抵抗値が増減する抵抗素子Ｒと、前記弾性部材Ｅの内部乃至その表面に配置されるとともに所定位置にある前記抵抗素子Ｒを支持し得る支持部材Ｃ４とを具備するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、ロボットハンドや義手等の指先に装着し、微妙な力加減が必要な把持制御等を行う際に用いるセンサ素子及びそのセンサ素子をロボットハンド等に取り付けてなる対象物移動制御装置及び対象物を判別するための対象物判別装置に関するものである。

近年、宇宙開発、海底探査、被爆の恐れのある場所等のように、人間が直接作業困難な場所における各種操作を人間に代行して行わせたり、あるいは、手の不自由な方の機能を好適に補うための義手を実現したりすることなどを目的とし、人の手指を模倣した多指型ロボットハンドや義手等の研究開発がなされている。

そして、より人の手指に近い操作を実現するために、ロボットハンドや義手等の指先に装着するとともに、微妙な力加減を必要とする把持制御を実現可能なセンサ素子が市場に供給あるいは開発されている。

このようなセンサ装置としては、例えば、静電容量式圧力センサ素子に設けた一対の電極間の静電容量を計測することにより、該素子に加わる把持力を制御し得るように構成した静電容量式圧力センサ装置（例えば、非特許文献１参照。）や、感圧導電ゴムを挟み込んだ一対の電極間の抵抗変化を検知することにより感圧導電性エラストマーセンサ素子に加わる圧力を測定し、把持力を制御し得るように構成した感圧導電性エラストマーセンサ装置があり（例えば、非特許文献２参照。）、該センサ素子に加わる圧力を検知することにより把持力を制御するものとして知られている。

また、対象物と接触可能な振動する触覚センサを備えるとともにこの触覚センサが対象物と接触した際の振幅及び周波数変化で示される粘弾性特性を計測することにより、対象物との接触を検知し把持力を制御し得るように構成したマイクロ圧覚センサ装置（例えば、非特許文献３参照。）も、該センサ装置と対象物との接触を検知することにより、把持力を制御するものとして知られている。

そして、弾性体内部に設けた球状空洞の変化を超音波の共鳴現象を利用して検知することにより、弾性体に加わる圧力を検知して把持制御可能にした共鳴型テンソルセル触感センサ装置や（例えば、非特許文献４参照。）、把持対象物とセンサ素子との間に生じる局所滑りを検出可能なひずみゲージを分散配置した接触面局所滑りセンサ素子により把持力を制御し得るように構成した分散型接触センサ装置が知られている（例えば、非特許文献５参照。）。
"Ｔ−２０００適応アレイ型触感センサー"、［ｏｎｌｉｎｅ］、有限会社シスコムホームページ、［平成１４年１１月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｙｓｃｏｍ−ｉｎｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｐｓ＿ａｒｒａｙ．ｐｄｆ＞ "イナストマー"、［ｏｎｌｉｎｅ］、イナバゴム株式会社ホームページ、［平成１４年１１月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎａｂａ−ｒｕｂｂｅｒ．ｃｏ．ｊｐ／ｋａｔａｒｏｇｕ／ｉｎａｓｔ／ｉｎａｓｔ．ｈｔｍｌ＞ "マイクロ触覚センサカテーテルの研究"、［ｏｎｌｉｎｅ］、１９９９．１２．１、オリンパス光学工業株式会社ホームページ、［平成１４年１１月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｌｙｍｐｕｓ．ｃｏ．ｊｐ／Ｓｐｅｃｉａｌ／ＯＴＦ８０／ｍｓｋｔ．ｈｔｍｌ 中島孝、"ＴＯＲＡＯの研究テーマについて"、［ｏｎｌｉｎｅ］、東京農工大学篠田研究室ホームページ、［平成１４年１１月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌａｂ．ｔ．ｕ−ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／〜ｓｈｉｎｏｌａｂ／ｍｅｍｂｅｒｓ／ｔｏｒａｏ／ｋｅｎｋｙｕ／ｋｅｎｋｙｕ１．ｈｔｍ "把持力制御のための分散型触覚センサ"、［ｏｎｌｉｎｅ］、慶應義塾大学理工学部機械工学科前野研究室ホームページ、［平成１４年１１月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｅｎｏ．ｍｅｃｈ．ｋｅｉｏ．ａｃ．ｊｐ／ｓｅｎｓｏｒ２／ｓｅｎｓｏｒ２．ｈｔｍ

しかしながら、従来の上述のようなセンサ装置は、例えば、対象物へ所定の方向に加わる圧力であれば、好適にその圧力の大きさを検出できるものの、その所定の方向以外の方向に加わる圧力である場合には、その方向性を特定することが困難である。特に、対象物を伸張させる方向に働きかける力を検知することは甚だ困難である。

すなわち、静電容量式圧力センサ装置では、その装置に加わる圧力が、一対の電極間の距離を近接させたりあるいは離間させたりするといった一対の電極に垂直方向に働くものであれば、その圧力を好適に検知することはできるものの、一対の電極に斜め方向から加わるものであれば、精度よく圧力を検知できず、好適な把持制御を行えないといった課題を有している。

そして、感圧導電性エラストマーセンサも同様に、感圧導電ゴム挟み込んだ一対の電極間に加わる方向によっては、精度よく加わる圧力を検知できず、好適な把持制御を行えないといった課題を有している。

また、マイクロ圧覚センサ装置は、対象物の表面状態によっては把持制御が困難となる場合もある。

さらに、共鳴型テンソルセル触感センサでは、超音波の送受信を必要とするため、分布型センサを構成することが困難であり、分散型接触センサでは、対象物を３次元的に制御を行うためには、装置が大型化してしまい小型化が困難であるといった課題を有している。

また、上述のセンサ装置に共通してセンサ部分が非常に敏感で破損しやすいといった課題を有している。

そこで、本発明は、上述する問題を解決することを主たる課題とするものである。

すなわち、本発明のセンサ素子は、対象物から受ける外力により圧縮又は伸張可能な弾性部材と、前記外力を受け変形した際に電気抵抗値が増減する抵抗素子と、前記弾性部材の内部乃至その表面に配置されるとともに所定位置にある前記抵抗素子を支持し得る支持部材とを具備することを特徴とする。

このような構成によれば、センサ素子に圧縮又は伸張する向きに外力が加わった場合、その外力を受けて変形した抵抗素子の電気抵抗値が増減するため、その電気抵抗値を測定すれば３方向の力を同時に計測可能となる。また、このとき、支持部材が所定位置にある抵抗素子を支持しているので、例えば、不意の外力が抵抗素子に加わった場合でもその抵抗素子が破損するといった不具合を低減させることができる。すなわち、外力から保護しつつその外力を精度よく３次元的に計測可能な耐損傷性、耐衝撃性に優れた高性能なセンサ素子を提供することができる。

なお、精度よく外力を測定するためには、前記支持部材が前記外力により変形可能な変形可能要素を備え、この変形可能要素に前記抵抗素子を支持させていることが好ましい。また、前記支持部材が、前記変形可能要素の周囲に前記外力によって変形し得ない変形不能要素を備えているものであれば、抵抗素子を外力からより確実に保護することが可能となる。

また、本発明の望ましい態様としては、前記変形不能要素が、四辺からなる平面視略矩形状を成す枠体状の外壁部材であり、前記変形可能要素が、前記外壁部材の四辺に架け渡した梁部材であるものが挙げられる。

なお、３次元的に加わる外力を好適に検知するためには、前記支持部材が、所定方向に突出する突出部材を備えていることが好ましい。

また、精度よく外力を測定する他の方法としては、前記抵抗素子を、前記支持部材近傍の前記弾性部材に配置しているものが挙げられる。

さらに、前記抵抗素子を複数配置することによりホイートストンブリッジ回路を形成すれば、簡単な構成で高感度に外力を測定可能となる。

一方、薄型で高性能な分布型センサを構成するためには、前記支持部材を、前記弾性部材に複数配置し、さらに、その支持部材を、アレイ状に複数配置すればよい。

ところで、センサ素子に加わる外力を分析するセンサ装置の望ましい態様としては、そのセンサ装置に、前記センサ素子と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段とを具備するものが挙げられる。

そして、前記電気特性測定手段で測定した抵抗素子の電気抵抗値に基づき、前記弾性部材の変形後の形状を推定する形状推定手段を具備すれば、外力により変形した導電性弾性部材の形状を推定することができる。

また、前記形状推定手段で推定した弾性部材の形状を、前記電気抵抗値に基づき３次元的に画面表示する３次元表示手段を具備すれば、外力により変形した弾性部材の形状をより具体的に知ることができる。

また、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段を備えるとともに、前記対象物の表面状態又は組成を示す対象物データを格納する対象物判別データ格納手段を備え、前記対象物判別手段が、前記対象物判別データ格納手段に格納している対象物データを参照することにより、対象物の表面状態又は組成を判別するように構成すれば、対象物の表面状態や組成を好適に知ることもできる。

ところで、上述のようなセンサ素子を用いて所望の位置に対象物を移動制御するためには、対象物移動制御装置に、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物に対する接触手段の３次元的な位置を制御する第１位置制御手段とを備えることが望ましい。このとき、前記接触手段が、人間の手指を模倣した形状を有することが望まれる。

また、上述のようなセンサ素子を用いて対象物を判別するためには、対象物判別装置に、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段と、前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を所定方向へ移動させる第２位置制御手段とを備え、前記第２位置制御手段が前記接触手段を前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を移動させた際に、前記外力分析手段で分析される外力情報に基づき、前記対象物判別手段が前記対象物の表面状態又は組成を判別するように構成したものが好ましい。

以上に詳述した本発明によれば、センサ素子に圧縮又は伸張する向きに外力が加わった場合、その外力を受けて変形した抵抗素子の電気抵抗値が増減するため、その電気抵抗値を測定すれば３方向の力を同時に計測可能となる。また、このとき、支持部材が所定位置にある抵抗素子を支持しているので、例えば、不意の外力が抵抗素子に加わった場合でもその抵抗素子が破損するといった不具合を低減させることができる。すなわち、外力から保護しつつその外力を精度よく３次元的に計測可能な耐損傷性、耐衝撃性に優れた高性能なセンサ素子を提供することができる。

また、上述のセンサ素子を利用すれば、対象物を好適に把持制御可能な対象物移動制御装置を実現したり、あるいは、対象物の表面状態又は組成を好適に判断し得る対象物判別装置を実現したりすることもできる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。

本発明のセンサ装置Ｐは、図１に示すように、対象物ＯＢを移動させたりその表面や組成を判別させたりするためにその対象物ＯＢと接触させてなる接触手段たるロボットハンドＲＨと、このロボットハンドＲＨの各指の腹に取り付けたセンサ素子Ｓと、そのに加わる外力Ｆにより変化する電気特性を測定分析するとともに、その分析結果に基づき前記ロボットハンドＲＨを所定動作させる図示しないセンサ装置本体Ｐ１とを具備する。

以下、各部を詳述する。

前記ロボットハンドＲＨは、前記センサ装置本体Ｐ１から受ける制御信号に基づき、前記対象物ＯＢを所望の位置へ移動制御されるものであって、本実施形態では、人の手指を模倣した形状を有している。

前記センサ素子Ｓは、図２に示すように、前記外力Ｆにより圧縮又は伸張可能な平面視矩形状をなす薄板状の弾性部材Ｅと、前記外力Ｆを受け変形した際に電気抵抗値が増減するピエゾ抵抗効果を有する半導体から成る抵抗素子Ｒと、前記弾性部材内部の隅部に配置され前記抵抗素子を前記外力Ｆから保護する支持部材Ｃとを具備するものである。

より具体的に、前記支持部材Ｃは、図３に示すように、四辺からなる枠状の外力により変形不能な変形不能要素たる外壁部材Ｃ１と、前記外壁部材Ｃ１の各辺に囲まれるように配置した平面視略矩形状の外力により変形可能な変形可能要素たる中央部材Ｃ２と、前記外壁部材Ｃ１の各辺の略中央部から前記中央部材Ｃ２に掛け渡してなる外力により変形可能な変形可能要素たる４本の梁部材Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ３３、Ｃ３４（以下、「梁部材Ｃ３」と総称する。）と、前記中央部材Ｃ２の略中央部から起立させ且つ前記弾性部材の表面Ｅｆに上端面Ｃ４ｆが露出するように突出させてなる円柱形状をなす突出部材Ｃ４とを備えてなる。また、前記外壁部材Ｃ１、中央部材Ｃ２及び梁部材Ｃ３を、前記弾性部材Ｅより剛性の大きい例えば合成樹脂等の素材により一体に形成している。そしてこのように形成したものを１ユニットとし、４つのユニットを前記弾性部材Ｅ内の各隅部に配置した構成としている。なお、本実施形態では、前記突出部材Ｃ４を、前記中央部材Ｃ２と同一の素材で形成するようにしているが、例えば、金属素材で構成するなど、前記弾性部材Ｅよりも大きな剛性を有するものであればこれに限られるものでない。

また、各ユニットにおいて、外力Ｆが加わらない際には、図４（ａ）に示すように、該支持部材Ｃのロボットハンド反取付側において前記外壁部材Ｃ１、前記中央部材Ｃ２及び前記梁部材Ｃ３の各ロボットハンド反取付面Ｃ１ａ、Ｃ２ａ、Ｃ３ａが略面一を成すように構成している。

また、図３に示すように、梁部材Ｃ３のロボットハンド反取付面Ｃ３ａに抵抗素子をそれぞれ２個ずつ配置している。すなわち、梁部材Ｃ３１に抵抗素子ＲＸ１とＲＸ２とを配置し、梁部材Ｃ３２に抵抗素子ＲＸ３とＲＸ４とを配置し、梁部材Ｃ３３に抵抗素子ＲＹ１とＲＹ２とを配置し、梁部材Ｃ３４に抵抗素子ＲＹ３とＲＹ４とを配置している。

そしてさらに、図示しない線材により結線した抵抗素子ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３、ＲＸ４と抵抗素子ＲＹ１、ＲＹ２、ＲＹ３、ＲＹ４とがそれぞれ図１０に示すようなホイートストンブリッジを形成するように構成することにより、図３等に示すＸ、Ｙ、Ｚ軸方向から加わる外力を好適に検知できるようにしている。より具体的には、例えば、図４（ｂ）に示すように、センサ素子Ｓが外力Ｆを受けると、この外力Ｆによって突出部材Ｃ４も移動する。そしてこの外力Ｆによって移動させられた突出部材Ｃ４は、中央部材Ｃ２に取り付けられているので、これによって中央部材Ｃ２も移動させられることとなる。しかして外力Ｆによって移動させられた中央部材Ｃ２と外力Ｆによって変形しない外壁部材Ｃ１との間の距離が変化することとなり、それら中央部材Ｃ２と外壁部材Ｃ１との間に架け渡されている梁部材Ｃ３が変形し、この梁部材Ｃ３に取り付けられている抵抗素子Ｒも変形する。このようにして、抵抗素子ＲＸ１及びＲＸ３の電気抵抗値が増加し、抵抗素子ＲＸ２及びＲＸ４の電気抵抗値が減少する。一方、図４（ｂ）に示すように、外力Ｆを受けることにより、前記中央部材Ｃ２がロボットハンド反取付側へ移動する方向に位置付けられると、それに伴い同様にして梁部材Ｃ３が変形し、その梁部材Ｃ３に取り付けている抵抗素子Ｒも変形する。このようにして、抵抗素子ＲＸ２及びＲＸ３の電気抵抗値が増加し、抵抗素子ＲＸ１及びＲＸ４の電気抵抗値が減少する。このように前記弾性部材Ｅに外力Ｆが加わり梁部材Ｃ３に配置した抵抗素子Ｒが変形すると、その外力Ｆを受けた抵抗素子Ｒの電気抵抗値が変化するため、この電気抵抗値の変化に基づき該センサ素子Ｓに加わる外力をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向成分に分けて分析することが可能となる。

前記センサ装置本体Ｐ１は、例えば、パソコンやワークステーション等の一般的な情報処理機能を有したコンピュータであり、図５に示すように、ＣＰＵ１０１、内部メモリ１０２、ＨＤＤ等の外部記憶装置１０３、前記センサ素子Ｓに電力を印加するとともに前記ロボットハンドＲＨの位置制御を行うための通信インタフェース１０４、ディスプレイ１０５、マウスやキーボードといった入力手段１０６等を具備している。

そして、本実施形態では、図６に示すように、センサ装置本体Ｐ１に、所定のプログラムをインストールし、そのプログラムに基づいて前記ＣＰＵ１０１や周辺機器を協働させることにより、このセンサ装置本体Ｐ１が、電気特性測定手段１１、外力分析手段１２、第１位置制御手段１３、対象物判別データ格納手段１４、対象物判別手段１５、第２位置制御手段１６、形状推定手段１７、３次元表示手段１８等としての機能を具備するように構成している。

より具体的には、前記電気特性測定手段１１は、前記センサ素子Ｓに備えた抵抗素子Ｒの電気抵抗値を測定するものである。なお、本実施形態では、前記抵抗素子Ｒの各電気抵抗値は、図１０に示すホイートストンブリッジのＲａ−Ｒｂ間及びＲｃ−Ｒｄ間の電圧を測定することにより、それら電気抵抗値を測定するように構成している。

前記外力分析手段１２は、前記電気特性測定手段１１で測定した電圧を分析して得た抵抗素子Ｒの電気抵抗値に基づき、前記外力Ｆの大きさや方向等その外力Ｆに関する外力情報を分析するものである。さらに詳述すると、例えば、抵抗素子ＲＸ１及びＲＸ３の電気抵抗値が増加し、抵抗素子ＲＸ２及びＲＸ４の電気抵抗値が減少していれば、図４（ｂ）に示すような方向に外力Ｆが加わっていると分析する。また、抵抗素子ＲＸ２及びＲＸ３の電気抵抗値が増加し、抵抗素子ＲＸ１及びＲＸ４の電気抵抗値が減少していれば、中央部材Ｃ２がロボットハンド反取付側へ移動する方向に外力Ｆが加わっていると分析する。

前記第１位置制御手段１３は、前記外力分析手段１２で分析された外力情報に基づき、前記対象物ＯＢに対する接触手段の３次元的な位置を制御するものである。

前記対象物判別データ格納手段１４は、前記対象物ＯＢの表面状態又は組成を示す対象物データを格納するものであって、前記内部メモリ１０２又は外部記憶装置１０３の所定領域に形成している。より具体的には、対象物ＯＢたる絹、麻、ウールといった各種繊維の表面状態を示す動摩擦係数を、例えば、ロボットハンドＲＨの移動速度を１ｍｍ／ｓｅｃ、ロボットハンドＲＨがその対象物ＯＢに加える荷重を５０ｇｆとして予め測定し、その測定した動摩擦係数を対象物データたる参照動摩擦係数として格納している。なお、この対象物判別データ格納手段１４に格納する対象物データは、動摩擦係数に限らず静摩擦係数やその他対象物の表面状態や組成を示すものであれば、本実施形態に限られるものではない。また、インターネットを介して入手したりあるいはＣＤ−ＲＯＭで頒布されるものから入手するといった実施態様も考えられる。

前記対象物判別手段１５は、前記外力分析手段１２で分析された外力情報及び前記対象物判別データ格納手段１４に格納している対象物データたる参照動摩擦係数に基づき、前記対象物ＯＢの表面状態又は組成を判別するものである。より具体的には、ロボットハンドＲＨの移動速度を１ｍｍ／ｓｅｃ、ロボットハンドＲＨがその対象物ＯＢに加える荷重を５０ｇｆとして測定した測定動摩擦係数を、前記参照動摩擦係数と所定の関係にあるか否かを判定し、所定の関係にあればその参照動摩擦係数の示す表面状態を、測定した対象物ＯＢの表面状態として判別する。

前記第２位置制御手段１６は、図７に示すように、前記センサ素子Ｓを前記対象物ＯＢの表面に接触させながら前記ロボットハンドＲＨを所定方向へ移動させるものである。なお、本実施形態では、前記対象物判別手段１５で測定する対象物ＯＢの表面状態を判別する際には、前記ロボットハンドＲＨをその移動速度が１ｍｍ／ｓｅｃ、そのロボットハンドＲＨがその対象物ＯＢに加える荷重が５０ｇｆとなるように制御する。

前記形状推定手段１７は、前記外力分析手段１２で分析された外力情報に基づき、前記弾性部材Ｅの変形後の形状を推定するものである。

前記３次元表示手段１８は、前記形状推定手段１７で推定した弾性部材Ｅの形状を、前記抵抗素子Ｒの抵抗変化に基づき３次元的に画面表示するものであって、前記ディスプレイ１０５等を利用して構成している。

次に、以上のように構成されるセンサ装置Ｐを用いたシステムの動作について図８及び図９に示すフロー図等を用いて説明する。

なお、本実施形態のセンサ装置Ｐを構成するは、図１に示すように、ロボットハンドＲＨの親指ＲＨ１と人差し指ＲＨ２の腹側に取り付けられるとともに図示しない接続ケーブルでセンサ装置本体Ｐ１に接続されるものとし、さらにこのセンサ装置Ｐを対象物移動制御装置として機能させるものとして説明を行う。

まず、第１位置制御手段１３が、ロボットハンドＲＨの両指で対象物たるブロックＯＢをつまむべく、そのロボットハンドＲＨ及び両指ＲＨ１、ＲＨ２の位置を制御する（ステップＳ１０１）。そしてロボットハンドＲＨに取り付けたセンサ素子ＳがブロックＯＢに当接すると、センサ素子Ｓに外力Ｆが加わり、図４（ｂ）又は（ｃ）に示すように抵抗素子Ｒが変形し、その電気抵抗値が変化する。このように、抵抗素子Ｒの電気抵抗値が変化すれば、前記センサ装置本体Ｐ１の電気特性測定手段１１が、電気抵抗値に変化があったことを検知する。そして、前記外力分析手段１２が、前記電気特性測定手段１１で測定した抵抗素子Ｒの電気抵抗値に基づき、前記外力Ｆの大きさや方向等その外力Ｆに関する外力情報を分析し（ステップＳ１０２）、前記第１位置制御手段１３が、前記外力分析手段１２で分析された外力情報に基づき、前記対象物ＯＢに対するロボットハンドＲＨ及び指ＲＨ１、ＲＨ２の３次元的な位置を制御する（ステップＳ１０１）。より具体的に、この第１位置制御手段１３は、例えば、対象物ＯＢから受ける外力Ｆが所定の値より小さければ、対象物ＯＢに指を近づけ、一方、大きければ対象物ＯＢから遠ざけるといった制御を行う。このことにより、より人間の把持動作に近い制御を実現している。このようにして、該センサ装置Ｐを、ブロックＯＢを好適に把持制御可能な対象物移動制御装置として機能させることができる。

また、該センサ装置Ｐを対象物判別装置として機能させる際には、図７に示すように、水平面に載置する対象物ＯＢたる繊維の表面に対し,前記ロボットハンドＲＨに取り付けたセンサ素子Ｓを摺動させれば、その繊維の表面状態又は組成を判別することもできる。

具体的には、まず、センサ装置本体Ｐ１の第２位置制御手段１６が、ロボットハンドＲＨの指で前記繊維の表面を撫でるべく、そのロボットハンドＲＨ又は指の位置を摺動制御する（ステップＳ２０１）。すると、センサ素子Ｓに前記繊維の表面から受ける外力Ｆが加わり、図４（ｂ）又は（ｃ）に示すように抵抗素子Ｒが変形し、それに伴い各抵抗素子Ｒにおける電気抵抗値が変化する。

このように、抵抗素子Ｒの電気抵抗値が変化し、前記センサ装置本体Ｐ１の電気特性測定手段１１が、電気抵抗値に変化があったことを検知すると、前記外力分析手段１２が、前記電気特性測定手段１１で測定した抵抗素子Ｒの電気抵抗値に基づき、前記外力Ｆの大きさや方向等その外力Ｆに関する外力情報を分析し（ステップＳ２０２）、前記対象物判別手段１５が、前記外力分析手段１２で分析された外力情報及び前記対象物判別データ格納手段１４に格納している対象物データたる参照動摩擦係数に基づき、前記対象物ＯＢの表面状態又は組成を判別する（ステップＳ２０３）。このようにして、該センサ装置Ｐを、対象物ＯＢの表面状態又は組成を好適に判断し得る対象物判別装置として機能させることができる。また、該センサ装置本体Ｐ１を前記電気特性測定手段１１で測定した抵抗素子Ｒの電気抵抗値に基づき、前記弾性部材Ｅの変形後の形状を推定するステップと、前記形状推定手段１７で推定した前記弾性部材Ｅの変形後の形状を、前記３次元表示手段１８がディスプレイ１０５に表示するステップとして機能させれば、より具体的に対象物ＯＢを認識することもできる。

以上に詳述したように、本実施形態のセンサ素子Ｓは、弾性部材Ｅに備えた支持部材Ｃの梁部材Ｃ３に抵抗素子Ｒを支持させ、且つ、支持部材Ｃの中央部材Ｃ２から突出部材Ｃ４を突出させているので、該センサ素子Ｓに圧縮又は伸張する向きに外力Ｆが加わった場合、その外力Ｆによって抵抗素子Ｒが変形し、変形した抵抗素子Ｒの電気抵抗値Ｓが増減するため、その電気抵抗値を測定すれば３方向の力を同時に精度よく計測することができる。また、このとき、抵抗素子Ｒを支持する梁部材Ｃ３は、外力Ｆにより変形しない外壁部材Ｃ１に周囲を包囲されているので、その抵抗素子Ｒは、その外壁部材Ｃ１によって外力Ｆから好適に保護される。すなわち、外力Ｆから保護しつつ該センサ素子Ｓに加わる外力を精度よく３次元的に計測可能な耐損傷性、耐衝撃性に優れた高性能なセンサ素子Ｓを提供することができる。

また、このようなセンサ素子Ｓを利用すれば、対象物ＯＢを好適に把持制御可能な対象物移動制御装置を実現したり、あるいは、対象物ＯＢの表面状態又は組成を好適に判断し得る対象物判別装置を実現したりすることもできる。

なお、センサ素子ＳをロボットハンドＲＨに取り付けるものとして説明したが、そのセンサ素子Ｓを対象物に取り付けるなど、実施態様に応じて取付場所及びその個数は適宜設定可能である。

また、抵抗素子Ｒを、梁部材Ｃの梁部材Ｃ３に配置するように構成しているが、図３に示すような、外壁部材Ｃ１と中央部材Ｃ２と梁部材Ｃ３とで囲まれる弾性部材Ｅに設けた弾性部材変形領域Ｂに配置することもできる。

また、突出部材Ｃ４の上端面Ｃ４ｆを弾性部材Ｅの表面Ｅｆに露出させて、外力Ｆを感度よく検知し得るように構成しているが、上端面Ｃ４ｆを表面Ｅｆに露出させない実施態様も考えられる。

さらに、複数のユニットを弾性部材内でアレイ状に配置すれば、薄型で高性能な分布型センサを実現することができる。

その他、本発明は以上に詳述した図示例に限られず、種々の変形が可能である。

本発明の実施形態におけるセンサ装置の全体構成を示す図。 同実施形態におけるセンサ素子を模式化して示す概略図。 同実施形態における抵抗素子の取付態様を模式化して示す概略図。 同実施形態におけるセンサ素子の概略断面図。 同実施形態におけるセンサ装置本体の内部機器構成図。 同実施形態における全体の機器の機能を示す機能構成図。 本発明の実施形態におけるセンサ装置の全体構成を示す図。 同実施形態におけるセンサ装置本体の動作を示すフロー図。 同実施形態におけるセンサ装置本体の動作を示すフロー図。 同実施形態における抵抗素子の結線を示す図。

符号の説明

１１・・・電気特性測定手段
１２・・・外力分析手段
１３・・・第１位置制御手段
１４・・・対象物判別データ格納手段
１５・・・対象物判別手段
１６・・・第２位置制御手段
１７・・・形状推定手段
１８・・・３次元表示手段
Ｃ・・・支持部材
Ｃ１・・・外壁部材（変形不能要素）
Ｃ２・・・中央部材
Ｃ３・・・梁部材（変形可能要素）
Ｃ４・・・突出部材
Ｅ・・・弾性部材
Ｆ・・・外力
ＯＢ・・・ブロック（対象物）
Ｐ・・・センサ装置（対象物移動制御装置、対象物判別装置）
Ｒ（ＲＸ１〜ＲＸ４、ＲＹ１〜ＲＹ４）・・・抵抗素子
ＲＨ・・・ロボットハンド（接触手段）
Ｓ・・・センサ素子

Claims (17)

1. 対象物から受ける外力により圧縮又は伸張可能な弾性部材と、前記外力を受け変形した際に電気抵抗値が増減する抵抗素子と、前記弾性部材の内部乃至その表面に配置されるとともに所定位置にある前記抵抗素子を支持し得る支持部材とを具備することを特徴とするセンサ素子。
2. 前記支持部材が前記外力により変形可能な変形可能要素を備え、この変形可能要素に前記抵抗素子を支持させていることを特徴とする請求項１記載のセンサ素子。
3. 前記支持部材が、前記変形可能要素の周囲に前記外力によって変形し得ない変形不能要素を備えていることを特徴とする請求項２記載のセンサ素子。
4. 前記変形不能要素が、四辺からなる平面視略矩形状を成す枠体状の外壁部材であり、前記変形可能要素が、前記外壁部材の四辺に架け渡した梁部材であることを特徴とする請求項３記載のセンサ素子。
5. 前記支持部材が、所定方向に突出する突出部材を備えていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のセンサ素子。
6. 前記抵抗素子を、前記支持部材近傍の前記弾性部材に配置していることを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載のセンサ素子。
7. 前記抵抗素子を複数配置することによりホイートストンブリッジ回路を形成していることを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載のセンサ素子。
8. 前記支持部材を、前記弾性部材に複数配置していることを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載のセンサ素子。
9. 前記支持部材を、アレイ状に複数配置したことを特徴とする請求項１乃至８いずれか記載のセンサ素子。
10. 請求項１乃至９いずれか記載のセンサ素子を用いて、そのセンサ素子に加わる外力を分析するための装置であって、前記センサ素子と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段とを具備することを特徴とするセンサ装置。
11. 前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記弾性部材の変形後の形状を推定する形状推定手段を具備することを特徴とする請求項１０記載のセンサ装置。
12. 前記形状推定手段で推定した弾性部材の形状を、前記電気抵抗値に基づき３次元的に画面表示する３次元表示手段を具備することを特徴とする請求項１０又は１１記載のセンサ装置。
13. 前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段を備えることを特徴とする請求項１０乃至１２いずれか記載のセンサ装置。
14. 前記対象物の表面状態又は組成を示す対象物データを格納する対象物判別データ格納手段を備え、前記対象物判別手段が、前記対象物判別データ格納手段に格納している対象物データを参照することにより、対象物の表面状態又は組成を判別することを特徴とする請求項１３記載のセンサ装置。
15. 請求項１乃至９いずれか記載のセンサ素子を用いて所望の位置に対象物を移動制御させるための装置であって、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物に対する接触手段の３次元的な位置を制御する第１位置制御手段とを備えることを特徴とする対象物移動制御装置。
16. 前記接触手段が、人間の手指を模倣した形状を有するものであることを特徴とする請求項１５記載の対象物移動制御装置。
17. 請求項１乃至９いずれか記載のセンサ素子を用いて対象物を判別するための装置であって、前記センサ素子を取り付けるとともにそのセンサ素子を介して前記対象物と接触する接触手段と、前記センサ素子に備えた抵抗素子の電気抵抗値を測定する電気特性測定手段と、前記電気特性測定手段で測定した電気抵抗値に基づき、前記外力の大きさや方向等その外力に関する外力情報を分析する外力分析手段と、前記外力分析手段で分析された外力情報に基づき、前記対象物の表面状態又は組成を判別する対象物判別手段と、前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を所定方向へ移動させる第２位置制御手段とを備え、前記第２位置制御手段が前記接触手段を前記センサ素子を前記対象物の表面に接触させながら前記接触手段を移動させた際に、前記外力分析手段で分析される外力情報に基づき、前記対象物判別手段が前記対象物の表面状態又は組成を判別することを特徴とする対象物判別装置。
    
    

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